2.2.2 Поршневой палец

Назначение: служит осью в шарнирном соединении поршня с шатуном и воспринимает все передающиеся между ними силовые нагрузки.

Условия работы

1) Переменные по величине динамические нагрузки близкие к ударным.

2) Высокие напряжения и высокие удельные давления, что вызвано ограниченными габаритами.

Требования

1) Малая конструктивная масса и ограниченные габариты, определяющие габариты и массу поршневой группы.

2) Минимальная деформация при работе (не превышающая половины диаметрального зазора).

3) Высокая прочность в условиях динамических нагрузок.

4) Высокая износостойкость рабочей поверхности.

Материалы и технология

В качестве материалов используются:  углеродистые стали 15,20, 45;  хромистые стали 20Х, 40Х, 12ХНЗА;  пальцы из малоуглеродистых сталей (меньше 0,2%С) цементируют и подвергают закалке на толщину 1...1,5 мм.

В последнем случае наружный закаленный слой приобретает повышенную износостойкость, а внутренний сохраняет свои вязкие свойства и хорошо сопротивляется ударным нагрузкам.

Повышению износостойкости поршневого пальца способствует повышение чистоты его поверхности. Допуск на диаметр по 1-му классу точности, а допуск на конусность и овальность - в пределах половины допуска на диаметр.

Повышение усталостной прочности поршневого пальца достигается применением полировки наружной а иногда и внутренней поверхностей. При наличии рисок усталостная прочность уменьшается в 2 раза.

Двусторонняя цементация повышает усталостную прочность на 15...20%, а двустороннее азотирование на 35...45%.

Виды напряжений в поршневом пальце

Наиболее характерным дефектами являются поперечные или продольные трещины.

1) Образование продольных трещин связано с высокими напряжениями, возникающими при овализации пальцев, чему больше подвержены тонкостенные пальцы. При овализации палец расплющивается и далее либо разваливает поршневую головку шатуна, либо разваливается сам.

2) Поперечные трещины и изломы возникают в результате напряжений изгиба пальца как балки. Они характерны для толстостенных пальцев и располагаются по середине их длины.

3) В пальцах также возникают напряжения среза.

4) Износостойкость пальца связана с условными удельными давлениями, возникающими под действием нагрузок в поршневой головке шатуна и в бобышках поршня.

Все разрушения носят усталостный характер и начинаются с внутренней поверхности пальца.

Конструкция

В АТД используют 2 типа поршневых пальцев:  плавающий палец;  палец, закрепленный в головке шатуна.

Плавающие пальцы имеют наибольшее распространение, что объясняется:

 их малым и равномерным износом по длине и окружности;  меньшей опасностью заедания;  - удобством монтажа.

Такой палец в холодном состоянии должен свободно входить в поршневую головку шатуна, а его посадка в бобышки поршня осуществляется с натягом, что объясняется разностью коэффициентов линейного расширения у алюминиевых поршней и стальных пальцев. Для облегчения сборки поршни нагревают до 60...80 С погружением в горячую жидкость.

При изменении направления нагрузки изменяется положение плавающего кольца относительно поршня и шатуна:

 при движении к НМТ (вниз) в такте рабочего хода палец прижат суммарной силой к верхней половине бобышек поршня и к нижней половине поршневой головки шатуна.

 при движении к ВМТ (вверх) в конце такта выпуска палец прижат силами инерции к нижней половине бобышек поршня и к верхней половине поршневой головки шатуна.

Палец может прижиматься в зависимости от действия суммарной силы

либо: к верхней половине бобышек поршня и к нижней половине поршневой головки шатуна, когда Р_  

либо: к нижней половине бобышек поршня и к верхней половинке поршневой головки шатуна, когда Р_  0 .

Это способствует обновлению смазки в сочленениях этих пар, хотя вследствие относительно медлительного скольжения пальца по опорным поверхностям, происходящего при высоком давлении и затрудненного подвода смазки осуществить чисто жидкостное трение невозможно.

Осевая фиксация плавающего пальца осуществляется с помощью пружинных колец прямоугольного и круглого сечения .

Закрепление пальцев в поршневой головке шатуна осуществляется с применением натяга. Закрепленные пальцы нагружаются неравномерно и неравномерно изнашиваются.

Конструкция закрепленных пальцев позволяет:

 уменьшить диаметр пальца и длину его опорной поверхности в поршневой головке шатуна, т.к. исчезает q_ш и в то же время позволяет увеличить длину опорной поверхности пальца в бобышках поршня;

 уменьшить продольные перекосы стержня шатуна и нарушение соосности между осями кольца и шатунного вкладыша, возникающие при работе двигателя.

При закрепленном пальце такой перекос в 2 раза ниже.

Закрепленные пальцы применяются, в частности, на двигателях ВАЗ. Их применение необходимо в том случае, когда q_б и q_ш выходят за допустимые пределы. Тогда защемление пальца позволяет уменьшить длину головки шатуна и увеличить длину бобышек, что уменьшает q_б (двигатели ВАЗ).

В четырёхтактных двигателях (особенно в дизелях) силы давления газов, передающиеся через палец на втулку поршневой головки шатуна, значительно превышают силы инерции масс поршневой группы. В итоге толщина масляного слоя с обеих сторон пальца по оси действие сил будет различна.

Газовая сила в основном передается верхней частью бобышек и нижней частью поршневой головки шатуна. Это дает возможность уменьшить опорную поверхность верхней половины втулки, и в то же время повышает опорную поверхность верхней половины бобышек.

В итоге давление в масляном слое от действия сил инерции повышается и толщина масляного слоя в верхней половине уменьшается. Это позволяет уменьшить износ пальца и втулки, а также уменьшает удельные давления в бобышках в такте рабочего хода. Однако технология производства такой конструкции очень сложна.

Как правило, поршневые пальцы изготавливаются с цилиндрическим отверстием. Ранее используются конические отверстия, когда палец приобретает форму бруса равного сопротивления, что позволяет уменьшить его массу и выровнять напряжение изгиба. Но их обработка очень сложна.

Основным параметром, характеризующим поршневой палец, и в некоторой степени определяющей габаритные размеры поршня, является отношение наружного диаметра кольца и диаметру поршня.

Наружный диаметр пальца определяется из условия износостойкости. Критерием в этом случае являются значения удельных давлений в бобышках поршня и в поршневой головке шатуна.

Внутренний диаметр определяется из условий прочности. Критерием в данном случае являются либо допустимые напряжения, либо запас прочности.

Конструктивное упрочнение. При прогибе пальца происходит выкрашивание кромок бобышек. Для предотвращения этого в зоне кромок бобышек делают незначительное конусные углубления, чтобы в этом месте бобышки не контактировали с пальцам.