Палец поршневой: прочная связь поршня и шатуна
В любом поршневом двигателе внутреннего сгорания присутствует деталь, соединяющая поршень с верхней головкой шатуна — поршневой палец. Все о поршневых пальцах, их конструктивных особенностях и способах установки, а также о верном подборе и замене пальцев различных типов подробно рассказано в статье.
Что такое поршневой палец
Палец поршневой (ПП) — компонент поршневой группы ДВС; стальной полый цилиндр, с помощью которого осуществляется шарнирное соединение поршня и шатуна.
В поршневых двигателях внутреннего сгорания передача и преобразование сил, возникающих при сгорании топливно-воздушной смеси в цилиндре, осуществляется поршневой группой и кривошипно-шатунным механизмом. К основным деталям этих систем относятся поршень и шатун, имеющие шарнирное соединение, благодаря которому достигается возможность отклонения оси шатуна от оси поршня при его между верхней и нижней мертвыми точками (ВМТ и НМТ). Реализуется шарнирное соединение поршня и шатуна с помощью простой детали — поршневого пальца.
Поршневой палец решает две ключевые задачи:
- Выступает в качестве шарнира между поршнем и шатуном;
- Обеспечивает передачу сил и моментов от шатуна на поршень при запуске двигателя и от поршня на шатун при работе двигателя.
То есть, ПП не просто связывает поршень и шатун в единую систему (в которую также входит коленчатый вал), но и вообще обеспечивает согласованную работу поршневой группы и кривошипно-шатунного механизма двигателя. Поэтому любые неисправности или износ пальца негативно сказываются на работе всего силового агрегата, требуя скорейшего ремонта. Но прежде, чем покупать новые поршневые пальцы, следует разобраться в их конструкции и некоторых особенностях.
Типы, устройство и характеристики поршневых пальцев
Все используемые в настоящее время поршневые пальцы имеют принципиально одинаковую конструкцию: в общем случае это полый стальной стержень с относительно тонкими стенками, установленный в бобышках поршня и верхней головке шатуна. На торцах пальца снимаются фаски (наружная и внутренняя), которые обеспечивают простой монтаж детали в поршень или шатун, а также предотвращают повреждение других деталей при случайном контакте с ними.
При этом в пальцах могут выполняться различные вспомогательные элементы:
- Вывод внутренних стенок в конус от центра наружу с целью облегчения пальца с сохранением его прочности;
- Внутренние кольцевые пояски в центральной части пальца для его упрочнения;
- Боковые поперечные отверстия для жесткой фиксации пальца в бобышке поршня.
Поршневые пальцы изготавливаются из мягких конструкционных углеродистых (15, 20, 45 и других) и некоторых легированных (обычно хромистых 20Х, 40Х, 45Х, 20ХНЗА и иных) сталей. Наружная поверхность и небольшой поясок на торце деталей из малоуглеродистых сталей подвергается цементации и закалке на глубину до 1,5 мм до достижения твердости 55-62 HRC (при этом внутренний слой имеет твердость в пределах 22-30 HRC). Детали из среднеуглеродистых сталей обычно закаливаются токами высокой частоты. После термической обработки наружная поверхность ПП подвергается шлифовке. Закалка детали обеспечивает высокую устойчивость ее наружной поверхности к износу, при этом вязкость внутренних слоев стенки сохраняет способность пальца противостоять ударным нагрузкам и вибрациям. Шлифовка поверхности устраняет зоны с опасными напряжениями, которые во время работы двигателя могут привести к появлению задиров, наклепов или даже разрушения деталей.
Как уже указывалось, поршневой палец располагается в поршне и верхней головке шатуна, соединяя эти детали в одну систему. В поршне под данную деталь предусмотрено два расширения с поперечными отверстиями — бобышки. Существует два конструктивных варианта шарнира между поршнем и шатуном:
- С «плавающим» пальцем;
- С запрессованным в шатун пальцем.
Наиболее просто реализуется вторая схема: в этом случае ПП запрессовывается в верхнюю (неразъемную) головку шатуна, что предотвращает его осевое смещение, а в бобышках поршня он располагается с некоторым зазором, что обеспечивает возможность проворачивания поршня относительно ПП во время работы силового агрегата на всех режимах. Также зазор обеспечивает смазку трущихся деталей (хотя из-за малого зазора палец и контактирующие с ним поверхности бобышек всегда работают в режиме недостаточной смазки). Такая схема применялась на отечественных автомобилях ВАЗ-2101, 2105, 2108, широко она используется и на современных моделях иностранного производства.
Схема с «плавающим» пальцем более сложна, так как она имеет несколько вспомогательных деталей. В такой схеме ПП с малым зазором устанавливается в обе детали — и в бобышки поршня, и в верхнюю головку шатуна, это обеспечивает его свободное проворачивание во время работы двигателя. Для предотвращения осевого смещения пальца используются пружинящие стопорные кольца, располагаемые поперек отверстий в бобышках — они служат упорами для ПП, не допуская его выпадение. Кольца могут изготавливаться из пружинящей проволоки круглого сечения или штамповаться из листового металла. В последнем случае детали имеют прямоугольное сечение, а на обоих концах предусматриваются отверстия под инструмент для удобства установки и извлечения колец.
В некоторых случаях применяются стопорные грибки или заглушки, они изготавливаются из мягкого металла, благодаря чему не повреждают зеркало цилиндра при контакте с ним. Заглушки находят применение в двухтактных двигателях с определенным расположением впускных и выпускных окон, предотвращая нежелательное перетекание газов между ними. Иногда используется фиксация детали с помощью винта, ввернутого в нижнюю часть бобышки и в отверстие у торцевой части ПП.
ПП, независимо от способа его установки, может иметь смещение относительно оси поршня, достигающее полутора и более миллиметров. Такое смещение направлено на снижение динамических нагрузок, которым подвергается поршень, ПП и головка шатуна при прохождении ВМТ и НМТ. Поршень в своем движении к ВМТ и к НМТ прижимается к одной стенке цилиндра, что также приводит и к прижиму ПП к одной стенке отверстий внутри бобышек. Вследствие этого возникают силы, затрудняющие проворачивание ПП в сопряженных деталях, и при прохождении ВМТ и НМТ поворот может случиться скачкообразно — это происходит с ударом, который проявляются характерным стуком. Эти факторы как раз и устраняются установкой ПП в поршне с некоторым смещением оси.
Как правильно подобрать и заменить поршневой палец
В процессе работы двигателя, особенно на переменных режимах, пальцы подвергаются значительным нагрузкам, они изнашиваются, могут деформироваться и требуют замены. О необходимости заменить пальцы говорит ухудшение компрессии и снижение динамических характеристик двигателя, что дополнительно проявляется характерным стуком.
Ремонт силового агрегата в этом случае сводится к замене пальцев, а иногда и сопряженных деталей — втулок головки шатуна в системах с «плавающим» ПП, колец и других. Подбор новых пальцев и других деталей производится по ремонтным размерам. Например, для большинства отечественных двигателей предлагаются детали трех ремонтных размеров, отличающихся на 0,004 мм (так, в двигателях ВАЗ часто используются пальцы диаметром 21,970-21,974 мм (1-я категория), 21,974-21,978 мм (2-я категория) и 21,978-21,982 мм (3-я категория)). Это обеспечивает возможность подбора пальцев различных диаметров с учетом увеличения диаметров отверстий в сопряженных деталях вследствие износа и последующей расточки. Расточка всегда выполняется под те же ремонтные размеры, и если износ деталей превышает указанные диапазоны, то и они должны быть заменены.
Как правило, пальцы продаются комплектами (по 2, 4 и больше штук), иногда вместе со стопорными кольцами и другими деталями.
При ремонте поршневой группы с «плавающими» пальцами нет необходимости в применении специального оборудования — монтаж деталей в бобышки и головку шатуна выполняется усилием руки. Если же меняется палец с фиксацией в шатуне, то приходится использовать специальное приспособление для выпрессовки и запрессовки ПП (в простейшем случае это могут быть втулки и стержни, однако профессионалы используют более сложные механизированные приспособления, похожие на тиски).
В некоторых случаях установка «плавающего» ПП в бобышки также производится в натяг, для этого поршень перед монтажом нагревается в воде или иной жидкости до 55-70 °С. Такой монтаж предотвращает стук ПП при запуске и прогреве двигателя, возникающий вследствие разного коэффициента теплового расширения алюминиевых сплавов и стали. Дело в том, что алюминиевый поршень расширяется быстрее, чем стальной палец, поэтому на непрогретом двигателе зазор между деталями увеличивается и появляется стук. При монтаже ПП в натяг зазор возникает только при прогреве мотора, что предотвращает удары деталей и, соответственно, стук.
Следует заметить, что работы по замене поршневых пальцев требуют значительной разборки двигателя, поэтому их лучше выполнять при наличии соответствующего опыта или доверять профессионалам. Только при правильном подборе пальцев и грамотном ремонте поршневая группа будет функционировать надежно и эффективно, обеспечивая высокие рабочие характеристики силового агрегата.
