Для чего поршневой палец выполняют пустотелым

Поршнево́й па́лец (англ. piston pin , нем. Kolbenbolzen ) — сплошной или полый цилиндрический стержень, служащий для подвижного шарнирного соединения поршня с шатуном. Аналогичные детали имеются в шарнирных соединениях ползунов, крейцкопфов, рычажных механизмов и обычно называются осью шарнира.

Содержание

История [ править | править код ]

В паровых машинах основным видом кривошипно-шатунного механизма выступал крейцкопфный. Поэтому у их наследников, первых моделей тихоходных ДВС Э. Ленуара 1860, Н. Отто 1862 и Р. Дизеля 1897, которые предназначались для стационарных условий, поршень жестко соединялся со штоком, а уже шток через шарнир воздействовал на шатун. Но для транспортных ДВС крейцкопфная схема оказалась слишком громоздкой и тяжёлой, поэтому с конца XIX века на быстроходных автомобильных и авиационных ДВС применяется тронковая схема. В этой конструкции шатун соединяется с поршнем поршневым пальцем [1] .

Типология и классификация [ править | править код ]

Классификатор ЕСКД «Классификатор изделий и КД машиностроения и приборостроения» относит поршневые пальцы к 71 классу общемашиностроительных деталей — тела вращения [2] .

В Российской Федерации требования к производству поршневых пальцев нормируются:

• ГОСТ Р 53443-2009 Автомобильные транспортные средства. Пальцы поршневые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний.[3]
• ОСТ 23.3.13-86 Пальцы поршневые тракторных и комбайновых дизелей. Общие технические условия.

В деталях машин поршневой палец в соединениях с поршнем и шатуном образует по классификации И. И. Артоболевского кинематическую пару с одной степенью свободы. Эта кинематическая пара относится к высшим, то есть имеет контакт по поверхности. [4]

С точки зрения динамического расчета ДВС поршневые пальцы относятся в группе поршня, которая вызывает силы инерции поступательно движущихся масс. С точки зрения видов нагружения поршневой палец относится к стержням, рассчитываемым на срез и смятие. С учетом малых плечей действия сил (расстояние между головкой шатуна и бобышкой поршня очень мало относительно общей длины опор пальца) расчет на изгиб не производится [5] .

Плавающий поршневой палец, головка и втулка шатуна, стопорные кольца

Поршневые пальцы

Назначение поршневых пальцев и переносимые нагрузки

Поршневой палец обеспечивает шарнирное соединение поршня с шатуном. Во время работы палец подвергается значительным механическим нагрузкам в различных направлениях, а также воздействию сил трения и температуры.

При четырехтактном процессе поршневой палец работает в условиях знакопеременной нагрузки, при двухтактном – в условиях, близких к пульсирующей нагрузке.
Кроме механической нагрузки палец испытывает значительную тепловую нагрузку вследствие передачи теплоты от головки поршня, а также выделения теплоты при трении поршневого пальца о головку шатуна и бобышку поршня.
В результате этого создаются неблагоприятные условия для осуществления жидкостного трения. Из-за наличия полужидкостного трения поршневой палец и сопряженные с ним поверхности бобышек поршня и верхней головки шатуна сильно изнашиваются.

Поршневой палец относится к деталям двигателя, совершающим во время работы возвратно-поступательное движение, поэтому его масса должна быть минимальной. Однако, как указывалось выше, через поршневой палец передаются значительные механические и тепловые нагрузки, поэтому размер и масса пальца, его конструкция, технология и материал изготовления, с учётом себестоимости массового производства, должны обеспечивать долговечную и безотказную работу.

С точки зрения сопромата, во время работы двигателя на поршневой палец действуют изгибающие усилия и усилия среза. Под воздействием этих усилий поршневой палец может принять недопустимую овальность, в результате которой возможно заклинивание поршня в поршневой головке шатуна или в бобышках поршня. Овальность поршневого пальца может привести к увеличению сил трения, появлению трещин в бобышках поршня и последующему разрушению поршня.

Требования к конструкции поршневых пальцев

С учетом перечисленных выше условий, в которых работают поршневые пальцы, к их конструкции предъявляются определенные требования, с целью достижения высокой надежности и долговечности.

Требования, предъявляемые к поршневым пальцам:

• высокая прочность;
• минимальная масса;
• высокая износостойкость.

Надежность и долговечность поршневых пальцев – необходимое требование, поскольку их замена, монтаж и демонтаж связаны с выполнением ремонтных работ высокой трудоемкости.

Особенности конструкции поршневых пальцев

Конструктивные формы поршневых пальцев весьма разнообразны. Наиболее простыми являются поршневые пальцы трубчатой формы. Такой палец представляет собой гладкий цилиндрический стержень, который для уменьшения массы выполнен пустотелым.
Иногда применяют поршневые пальцы с коническими внутренними поверхностями, имеющими форму бруса равного сопротивления изгибу (тоньше к краям и толще к середине), благодаря чему уменьшается масса поршневого пальца.

Для смазки поршневого пальца в бобышках поршня масло подводится по каналу от маслосъемных поршневых колец через отверстия в бобышках. Смазка поршневого пальца в головке шатуна осуществляется маслом, разбрызгиваемым подвижными деталями кривошипно-шатунного механизма, и подаваемым к поршневому пальцу через отверстия в головке шатуна, либо маслом, поступающим по каналу в шатуне от шатунной шейки коленчатого вала.

В зависимости от способа крепления различают три типа поршневых пальцев:

• закрепленные в бобышках поршня;
• закрепленные в верхней головке шатуна;
• плавающие, т. е. проворачивающиеся как в верхней головке шатуна, так и в бобышках поршня.

Наибольшее распространение получили плавающие пальцы (рис. 2, а, б), поскольку они изнашиваются равномернее.
Осевая фиксация плавающих пальцев обычно обеспечивается стальными пружинными стопорными кольцами, которые устанавливаются в канавках, проточенных в бобышках поршня по обе стороны пальца. Такой способ фиксации надежен и прост, но несколько уменьшает опорную длину бобышек.
Известны конструкции, когда палец фиксируется при помощи мягких алюминиевых заглушек.

Материалы и технология изготовления поршневых пальцев

Пальцы изготавливают из легированной или углеродистой стали. Для достижения требуемой твердости после изготовления пальцы подвергаются цементации на глубину 1…2 мм с последующей закалкой и отпуском.
Для менее нагруженных двигателей пальцы подвергаются только поверхностной закалке при нагреве токами высокой частоты.

Пальцы изготавливаются с высокой точностью и подбираются к поршням и шатунам индивидуально, особенно для высокооборотистых двигателей.

Поршневой палец

Поршневой палец , удерживаемый двумя стопорными кольцами только от осевых перемещений, во время работы двигателя имеет возможность свободно проворачиваться в бобышках поршня и в верхней головке шатуна; поэтому поршневой палец изнашивается незначительно и равномерно по всей длине. [1]

Поршневой палец , увеличенный на 0 08 мм, также служит для эксплуатационного ремонта. [2]

Поршневой палец 3 ( см. рис. 31) пустотелый, изготовленный из стали 12ХНЗА, предназначен для соединения поршня с шатуном. Палец плавающего типа, так как он не закреплен ни в верхней головке шатуна, ни в бобышках поршня. Осевое перемещение пальца ограничивается заглушками 1 из алюминиевого сплава. Отверстия а в заглушках предназначены для выхода воздуха из полости пальца при установке заглушек. [4]

Поршневой палец изготовляют из легированной или малоуглеродистой стали. Наружная поверхность его цементируется или закаливается токами высокой частоты. В современных двигателях используются пустотелые плавающие пальцы, свободно устанавливаемые как в поршне, так и в верхней головке шатуна. От осевого смещения пальцы предохраняются пружинными кольцами. [5]

Поршневой палец предназначен для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он вставляется в отверстия бобышек поршня и в отверстие верхней головки шатуна. Поршневой палец может свободно проворачиваться как в бобышках, так и в шейке шатуна. От продольного перемещения палец стопорится с двух сторон пружинящими стопорными кольцами, которые входят в канавки бобышек поршня. [6]

Поршневой палец необходим для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он выполнен из специальной стали в виде пустотелого короткого стержня. Чтобы при работе двигателя палец не выходил из бобышек поршня и не царапал зеркало цилиндра, его закрепляют при помощи пружинящих колец или другим способом. [7]

Поршневой палец служит для подвижного соединения шатуна с поршнем. В зависимости от конструкции различают плавающие пальцы, свободно перемещающиеся в верхней головке шатуна и бабыш-ках поршня, и неподвижные, закрепленные в поршне. [8]

Поршневой палец – деталь, предназначенная для соединения поршня с шатуном ( фиг. Выполняемые варианты соединения поршня с шатуном: палец неподвижен относительно поршня ( фиг. [9]

Поршневой палец 2, шарнирно соединяющий поршень с шатуном, изготавливают из стали в виде пустотелого цилиндра. [10]

Поршневой палец шарнирно соединяет поршень с верхней головкой шатуна. Палец изготовлен в виде пустотелого цилиндрического стержня, наружная [ поверхность которого закалена нагревом током высокой частоты. [11]

Поршневой палец служит для подвижного соединения поршня с шатуном. [12]

Поршневой палец должен быть проверен ( фиг. [13]

Поршневой палец , служащий для подвижного соединения поршня с шатуном, изготовляют пустотелым из стали с поверхностной закалкой токами высокой частоты и закрепляют в бобышках поршня с помощью двух стопорных колец. Такое крепление позволяет поршневому пальцу поворачиваться в головке шатуна и в бобышках поршня. [14]