Прочность поршня

В современных дизелях поршень подвержен воздействию высоких тепловых и механических нагрузок. Ввиду сложной конфигурации поршня не существует достаточно точных расчетных методов оценки прочности поршня в целом и отдельных его элементов. Наиболее напряженные элементы поршня-межкольцевые перемычки и бобышки поршневого пальца.

При создании новых и совершенствовании выпускаемых двигателей без проведения глубоких исследований трудно определить оптимальную ширину межкольцевой перемычки, выбрать конфигурацию бобышек и диаметр пальца. С этой целью изучаются тепловое состояние поршня и напряжения его элементов. Остановимся на методах оценки последних.

На бобышки действуют сила газов и сила инерции поршня. Наибольшие нагрузки бобышки испытывают при максимальном давлении в камере сгорания, но в этот момент силы инерции поршня, имеющие также наибольшую величину, действуют в противоположном направлении, что несколько уменьшает величину нагрузок.

Напряжения в бобышках возрастают из-за деформации днища поршня. Деформации поршневого пальца (изгиб и овализация) также способствуют концентрации напряжений в бобышке. Совокупность всех факторов приводит к высокой концентрации напряжений на внутренней кромке бобышки поршня, что может вызвать образование усталостных трещин на ее поверхности.

При исследовании соединения поршень - поршневой палец на ЯМЗ проводится комплекс работ, включающий определение направления главных напряжений в бобышке поршня (методом покрытия хрупкими лаками) с последующим тензометрированием при статическом приложении нагрузки на специальном стенде (оценка прочности бобышек при работе на двигателе). При испытаниях на стенде для равномерного распределения нагрузки на днище поршня камеру сгорания заполняют песком, на него устанавливают резиновую диафрагму, на которую действует давление жидкости, помещенной в замкнутом объеме. Давление в пространстве над диафрагмой повышают при помощи ручного устройства, по конструкции аналогичного насосу, применяемому при проверке качества распиливания топлива форсункой. Рабочее тело- дизельное топливо, для контроля давления, устанавливается манометр. Для измерения напряжений используют проволочные тензодатчики с базой 10 мм, которые наклеивают так. Нагрузка и разгрузка производятся соответственно от 0 до 10 кгс/см2 и наоборот с интервалами 10 кгс/см2; при каждом значении давления измеряют напряжение в бобышках.

Сравнительная простота указанного метода позволяет за короткий промежуток времени оценить различные конструктивные варианты соединения поршень - поршневой палец. Так были испытаны варианты оребрения бобышек поршня, деконцентраторов (фаски и конуса на цилиндрической поверхности с внутренней стороны бобышки), поршневые пальцы с разными внутренними и наружными диаметрами. Кроме того, была установлена зависимость повышения напряжений на внутренней поверхности бобышки от нагрузки, имитирующей силу газов: напряжения увеличиваются на 17% с возрастанием нагрузки на днище поршня на каждые 10 кгс/см2.