Поршневые кольца

Поршневые кольца, особенно 1-е поршневое кольцо, — наиболее нагруженные детали двигателя. При их расчетах на прочность обычно определяют:

• Максимальное напряжение изгиба в рабочем положении кольца в цилиндре двигателя (когда кольцо сжато);
• Максимальное напряжение изгиба при надевании кольца на головку поршня (при растяжении кольца);
• Удельное давление кольца на стенку цилиндра за счет сил упругости в его рабочем положении.

На рис. 1 показано поршневое кольцо в 3-х положениях:

1. В рабочем положении;
   
2. В свободном состоянии;
   
3. При надевании на поршень.

В рабочем положении кольцо должно быть сжато от свободного состояния до рабочего размера — диаметра цилиндра D. Длина наружной окружности кольца при этом составляет: L = π D, стрела прогиба кольца F равна:

F’ = е — S , (№4)

E — зазор в замке в свободном состоянии кольца;
S — зазор в замке в рабочем состоянии.

При надевании на поршень кольцо должно быть растянуто так, чтобы его внутренний диаметр был равен наружному диаметру головки D. По сравнению с рабочим положением кольца длина его наружной окружности будет больше и составит: L” = π (D + 2Ь), где b — ширина кольца. Если обозначить: F” — стрела прогиба кольца от свободного состояния до растянутого положения, то разница длин окружности наружного диаметра кольца L” — L’ даст сумму прогибов при сжатии (F’) и растяжении (F”):

L” -L’ = F’ + F” = π (D + 2b) — π D. (№5)

Откуда:

F” = 2πb — F’ (№6)

С учетом возможности растяжения кольца при надевании на поршень на несколько больший диаметр, чем наружный диаметр головки, для расчета деформации кольца последняя формула принимается с некоторым запасом:

F” = 8b — F’ (№7)

В общем случае уравнение стрелы прогиба балки определяется равенством:

F = P L³ / k E J (№8)

Р — сила растяжения или сжатия;
L — длина пролета балки;
Е — модуль упругости материала;
J — момент инерции расчетного сечения;
K — коэффициент, учитывающий характер нагрузки и жесткость закрепления концов балки.

Рассматривая поршневое кольцо как одноопорную балку, последнее уравнение может быть преобразовано для расчета напряжений изгиба:

• в рабочем положении кольца:

σ_и = 0.425 Е F’ / b (D/b — 1)² (№9)

• при надевании на поршень:

σ_и = 0.425 Е F” / b (D/b — 1)² (№10)

Модуль упругости для чугуна может быть принят равным:

• при диаметре цилиндра менее 180 мм — Е = 10⁵ МПа;
• при диаметрах D > 180 мм — Е = 0.825 10⁵ МПа.

Для судовых двигателей допускаемые напряжения изгиба поршневых колец могут быть назначены в зависимости от диаметра цилиндра:

• при D < 175 мм — σ_и‘ = 190 МПа, σ_и” = 220 — 250 МПа;
• при 180 < D < 400 мм — σ_и‘ = 160 — 170 МПа, σ_и” = 175 — 185 МПа;
• при D > 410 мм — σ_и‘ = σ_и” = 140 — 150 МПа.

Давление поршневого кольца на стенку цилиндра за счет сил упругости Р_ц может быть найдено по величине расчетного напряжения изгиба кольца σ_и‘ в рабочем состоянии. После несложных преобразований можно найти:

Р_ц = 0.33 σ_и‘ b² / D(D — b). (№11)

Эта величина обычно не превышает 0.1 МПа.

Смотрите также:
а) Шатунный болт
в) Анкерные связи, крепеж цилиндра