Цилиндропоршневая пара является одним из наиболее нагруженных узлов силовой установки. В среднем поршень в цилиндре за 1 с совершает около 20‑25 двойных ходов, причем половина из них являются нагруженными (ход сжатия и рабочий ход).
Так, в карбюраторных ДВС в начале рабочего хода давление в цилиндре над поршнем карбюраторного ДВС составляет около 5 МПА (50 бар), а в высокофорсированных дизелях – до 14 МПа (140 бар).
Во время хода сжатия эти давления равны соответственно 0,8‑1,5 и до 5 МПа (8‑15 и 50 бар). Следует также учесть, что температура газа в камере сжатия ДВС достигает во время рабочего хода 2000 ОС и более.
С точки зрения ресурса работы в отношении данного узла следует рассматривать следующие процессы:
Трение боковой поверхности поршня о стенку цилиндра и их обоюдный износ.
Взаимодействие поршневых колец с канавками в теле поршня и со стенкой цилиндра.
Для анализа первого процесса следует указать, что он целиком определяется давлением газов, которые прижимают поршень к поверхности гильзы цилиндра, и геометрическим соотношением кривошипно-шатунного механизма (рис. 3.1).
Давление Р газов над поршнем ‑ величина переменная, давление картерных газов F К близко к постоянному при нормально работающем сапуне и примерно равно атмосферному (чуть выше на величину гидравлического сопротивления сапуна). В том случае, если выход сапуна соединен с впускным коллектором, можно принять F К равным атмосферному, так как излишнее давление картера «отсасывается» во впускной трубопровод.
В связи с тем, что в процессе впуска Р становится ниже атмосферного давления, поршневая сила является не только переменной по величине, но и по направлению. Поэтому изменяется не только величина, но и направление силы F БОК.
Тем не менее в процессе впуска она невелика, так как весьма мал перепад давления на поршне, и в отношении трения и износа сопряжения цилиндр‑поршень следует рассматривать в основном перемещение поршня на ходе сжатия и в течение рабочего хода.
При этом трение поршня о стенки гильзы цилиндра происходят то на одной, то на другой стороне внутренней поверхности гильзы, причем та сторона, по которой трение осуществляется во время рабочего хода, изнашивается сильнее в связи с большими силами давления в контакте (сила F БОК), что схематично изображено на рис..3.2.
 | |||||
| |||||
 |
Таким образом, в процессе работы цилиндропоршневой пары происходит неравномерный износ цилиндра. Очевидно, что аналогичная, но обратная картина наблюдается при износе поршня.
Следует отметить, что в процессе износа поверхности гильзы цилиндра участвует также кольцевое уплотнение, и поэтому максимальный износ цилиндра наблюдается в зоне действия наиболее нагруженного первого уплотнительного кольца.
В свою очередь также происходит износ и поршневых уплотнительных и маслосъемных колец, которые размещены в канавках головки поршня, а также износ и деформация самих канавок.
Для обеспечения уплотнительного эффекта высота кольца несколько меньше высоты выточки в теле поршня (на сотые доли миллиметра). Это необходимо для прохода уплотняемых газов к внутренней части кольца с целью его прижатия к поверхности гильзы цилиндра (рис. 3.3).
Давление над кольцевым уплотнением Pj и под кольцевым уплотнением Pj+1 для нового неизношенного уплотнения определяется из уравнения
,
где Рi – давление над поршнем в i –й момент времени, j – номер кольца, считая от верхнего донышка поршня, kj = 1,0 при Z 
4; 1,35 при Z = 3; 2 при Z = 2 (Z – общее число уплотнительных поршневых колец).
 |
Для узких в направлении движения газа зазоров кольцевого уплотнения можно в первом приближении считать, что распределение давления в кольцевом зазоре имеет простой прямолинейный характер, и величину Pj(ср) можно определить как среднее арифметическое между давлением над кольцом и давлением за ним:
Давление упругости кольца Pуj зависит от его материала, сечения кольца и его диаметра. В первом приближении можно принять, что оно равно 0,05 МПа.
Очевидно, что при использовании двух и более колец в поршневом уплотнении их ширину в направлении уплотняемого потока газа стараются подобрать таким образом, чтобы сила прижатия кольца к зеркалу цилиндра была одинаковой. Это необходимо для обеспечения одинакового износа колец. В связи с этим первое от донышка поршня кольцо всегда несколько уже второго, и в этом случае давление в межкольцевом пространстве равно примерно половине давления над первым кольцом:
Р2 ≈ 0,5·Р1
В этом случае схема для расчета сил, действующих в кольцевом уплотнении, состоящем из двух поршневых колец, будет выглядеть следующим образом (рис. 3.4):
|
Сила FjЗ, действующая на кольцо в сторону зазора между кольцом и цилиндром равна сумме произведения давления Рj (j = 1, 2) на соответствующую площадь и силы упругости колец:
Сила FjП, действующая на кольцо со стороны газового слоя в зазоре, определяется по формуле
Суммарная сила FΣj, действующая на каждое j -е кольцо в направлении зазора, определяется разностью
.
Соответственно давление Wj, с которым кольцо действует своей рабочей поверхностью на зеркало цилиндра, следует определять как частное от деления суммарной силы на площадь этой поверхности:
.
Задание. По данным табл. 3 определить давление W1 и W2 в зазоре поршневого уплотнения с двумя уплотнительными кольцами.
