• Компрессионные поршневые кольца
• Маслосъемные поршневые кольца
• Компрессионно-маслосъемные поршневые кольца (комбинированные)

Компрессионные кольца. Компрессионные поршневые кольца работают в очень тяжелых условиях, они подвергаются воздействию высоких температур, работают в условиях полужидкостного трения с большой переменной скоростью скольжения, а так же испытывают воздействие значительных сил давления газов, внутренних сил упругости и сил трения. Компрессионные кольца должны предотвратить попадание отработавших газов из камеры сгорания в кривошипную камеру. Для обеспечения необходимой герметичности нужны минимальный зазор между поршнем и стенкой цилиндра, наличие в этом зазоре устойчивой масляной пленки и высококачественная обработка поверхности цилиндра и поршня. Компрессионные кольца уплотняют поршень при помощи создаваемого ими лабиринта и прижатия колец к поверхности цилиндра. Проходя через этот лабиринт, состоящий из торцевых и радиальных зазоров между кольцами и стенками кольцевых канавок, газы постепенно расширяются, вследствие чего их давление и скорость истечения снижаются.

Маслосъемные кольца. Целью их работы является максимальное уменьшение расхода масла, при постоянной и достаточной смазке деталей скольжения и одновременно минимальная газопроницаемость. Вследствие насосного действия компрессионных колец, а так же разряжения в цилиндре во время всасывания в камеру поступает масло, где оно частично сгорает. Маслосъемные кольца снимают лишнее масло со стенок цилиндров и предотвращают по мере возможности попадание смазочного масла в камеру сгорания.

Компрессионно-маслосъемные кольца (комбинированные). Компрессионно-маслосъемные кольца совмещают в себе основную функцию компрессионных и маслосъемных колец, это означает, они в основном предотвращают попадание отработавших газов в кривошипную камеру и снимают лишнее масло со стенки цилиндра. 

Конструкция и форма поршневых колец

Поршневое кольцо: термины

1. Зазор в замке ненапряженного поршневого кольца
2. Стыковые концы
3. Спинка кольца (напротив стыковых концов)
4. Рабочая поверхность кольца
5. Боковая поверхность кольца
6. Внутренняя поверхность кольца
7. Тепловой зазор (зазор в холодном состоянии)
8. Диаметр цилиндра
9. Радиальная толщина стенки
10. Осевой зазор
11. Высота поршневого кольца
12. Диаметр цилиндра
13. Внутренний диаметр канавки
14. Высота канавки
15. Радиальный зазор

Материалы для изготовления поршневых колец:

Что делает 2-е поршневое кольцо? Объяснение цели и функции!

Пакеты поршневых колец разрабатываются так же тщательно, как и любая высокопроизводительная деталь, но «средний ребенок» может быть наиболее неправильно понят. Вот взгляд на науку, связанную с дизайном второго кольца.

С момента изобретения металлического поршневого кольца в начале промышленной революции (которое, как вы могли утверждать, в конце концов сделало паровую энергию непрактичной), постоянно внедрялись инновации и совершенствовались технологии уплотнения цилиндров для этих, казалось бы, простых деталей. . Пакет колец имеет три основные цели: удерживать давление в камере сгорания как в такте сжатия, так и в рабочем такте, передавать тепло от поршня к стенкам цилиндра, откуда его можно удалить с помощью воздушного или жидкостного охлаждения, и контролировать смазку для ограничения расхода масла. и нежелательные излучения.

Хотя легко взглянуть на верхнее кольцо или маслосъемное кольцо внизу и интуитивно понять их вклад в достижение этих целей, второе кольцо представляет собой большую загадку.

Для нашего первого вопроса мы спросили Стивенсона, играет ли второе кольцо роль в сдерживании компрессионных или горючих газов. «Было время, когда отверстия были настолько плохи с точки зрения чистоты поверхности, округлости и так далее, а материалы колец были намного хуже, так что у поршней было четыре кольца; два для компрессионного уплотнения, один для соскабливания масла и один для перекачки масла», — объясняет он. «Терминология не поспевает за технологиями. Называть современное второе кольцо компрессионным кольцом неправильно».

Так какой же вклад в герметизацию камеры сгорания вносит современное второе кольцо? Пер Стивенсон, «Незначительно. Были опубликованы документы SAE, которые доказывают, как увеличенные зазоры второго кольца фактически увеличивают уплотнение и мощность верхнего кольца. Герметизация камеры сгорания на 100 процентов является работой верхнего кольца». В сочетании с другими характеристиками поршня роль второго кольца в этом отношении заключается в поддержании давления в щелевом пространстве между ним и верхним кольцом на минимальном уровне. возможно, давая возможность любому прорыву газа, прошедшему через верхнее компрессионное кольцо, быстро попасть в картер.

«Аккумуляторная канавка работает совместно с большими зазорами во втором кольце», — объясняет Стивенсон. «Короче говоря, всегда будет некоторая утечка давления сгорания через верхнее кольцо из-за движения вторичного поршня и поперечного люка цилиндра. Любое давление, которое проходит через верхнее кольцо, имеет тенденцию застревать между верхним и вторым кольцом, что затем оказывает давление на верхнее кольцо снизу, что приводит к флаттингу кольца (особенно на высоких оборотах). Аккумуляторная канавка создает дополнительный объем, который снижает давление. Здесь применим закон Бойля; объем и давление имеют обратную зависимость, поэтому увеличение объема уменьшает давление. Сочетание этого с большими зазорами второго кольца обеспечивает более плавный выход захваченного газа из этого пространства и уменьшает флаттер верхнего кольца».

Поскольку второе кольцо специально НЕ предназначено для использования в качестве герметизирующего уплотнения, его конструкция часто сильно отличается от конструкции верхнего компрессионного кольца. Стивенсон говорит: «Многие верхние кольца имеют скосы по внутреннему диаметру, которые заставляют их скручиваться в направлении, противоположном действующим на них силам, чтобы они оставались плоскими в канавке для лучшего уплотнения. Вторые кольца имеют скос, противоположный этому, поэтому они фактически закручиваются не в ту сторону, чтобы обеспечить герметичность».

 Итак, установив, что второе кольцо определенно не предназначено для обеспечения герметизации сжатия или сгорания, что насчет второй основной цели пакета колец — передачи тепла от поршня к стенкам цилиндра, где оно может быть управляется системой охлаждения? Может показаться, что относительно небольшое количество контактов, которые кольца создают между поршнем и отверстием, не может быть важным путем для теплопроводности, но оказывается, что это основной источник. Пер Стивенсон: «Здесь много переменных, но кольца передают около 70 процентов тепла сгорания от поршня к системе охлаждения».

Остальные 30 процентов уходят другими путями, такими как радиационное и конвекционное охлаждение нижней части поршня воздухом внутри картера, кондуктивное охлаждение через контакт между юбкой поршня и отверстием цилиндра, а также тепло, отводимое через разбрызгивание масла из парусность коленчатого вала. В некоторых двигателях даже используются маслораспылители в нижней части каждого отверстия цилиндра, которые направляют брызги смазки на нижнюю часть поршней специально для облегчения охлаждения.

Несмотря на другие источники теплопередачи, пакет колец выдерживает большую часть нагрузки, когда речь идет о поддержании поршня при приемлемой рабочей температуре. Из ранее упомянутых 70 процентов общего тепла поршня «верхнее кольцо передает 45 процентов, второе кольцо — 20 процентов, а маслосъемное кольцо — 5 процентов», — говорит Стивенсон. Хотя второе кольцо определенно играет свою роль в этой важной задаче, оно по-прежнему не является основной причиной присутствия кольца.

Как оказалось, второе кольцо имеет гораздо больше общего с контролем смазки, чем «масляное кольцо» под ним. «Второе кольцо — это то, что царапает масло», — объясняет Стивенсон. «Маслосъемное кольцо собирает масло и откачивает его от стенок цилиндра через отверстия для возврата масла в канавке маслосъемного кольца». кривошип вращается, масло, вытекающее из герметичных подшипников на больших концах шатунов, постоянно выбрасывается за поршень, покрывая стенки канала ствола.

По мере того, как поршень движется вниз по каналу, второе кольцо «счищает масло со стенки цилиндра, одновременно обеспечивая смазку и удерживая масло от попадания в зону сгорания двигателя.  

При ходе вниз второе кольцо и маслосъемное кольцо работают одновременно, чтобы удалить все, кроме небольшого количества масла, и вернуть его по каналу ствола в поддон. Стивенсон говорит: «Верхние кольца всегда будут получать скрытую смазку за счет масла, оставшегося в поперечном люке стенок цилиндра». Это та микроскопическая текстура на отверстии, которая удерживает ровно столько масла, чтобы свести к минимуму трение между пакетом колец и стенкой цилиндра, в то время как второе кольцо предотвращает попадание слишком большого количества масла через верхнее кольцо в камеру сгорания. камера

Теперь, когда мы понимаем назначение каждого кольца в упаковке, мы можем понять, почему для верхнего и второго колец часто используются разные материалы и сечения колец. «Требования и предполагаемая функция верхнего и второго колец, безусловно, различаются, поэтому материалы часто также различаются», — продолжает Стивенсон. «В целом лучшим материалом для верхнего кольца является сталь. Конечно, некоторые стали лучше других, но по мере того, как кольца становятся меньше, а удельная производительность увеличивается, требования к верхнему кольцу (которое подвергается наибольшему износу) возрастают».

Переместите канавку на поршень вниз, и другая выполняемая работа потребует меньшего количества используемого материала. Пер Стивенсон: «Многие вторые кольца в гоночных двигателях до сих пор изготавливаются из чугуна или ковкого чугуна. Второе кольцо не подвергается достаточному напряжению и температуре, чтобы использовать сталь». Форма профиля кольца также оказывает значительное влияние на эффективность удаления масла, а также на создаваемое им трение, как на внутреннюю, так и на внешнюю поверхность. диаметры играют роль. «Скосы находятся на внутреннем диаметре кольца и определяют направление закручивания кольца, чтобы облегчить его очистку», — говорит Стивенсон. В поперечном сечении скошенное кольцо имеет один край внутреннего диаметра, срезанный под углом — как указывает Стивенсон, это побуждает кольцо динамически скручиваться в канавке по мере его движения вниз по каналу ствола и фокусировать дополнительное давление на внешнем углу. для более эффективного удаления излишков масла.

«Конусность, Нейпир и ступени — все это вариации формы внешнего диаметра, — продолжает он. Целью всех этих профилей является концентрация контакта в узкой полосе для повышения эффективности очищающего действия. Как следует из названия, конический внешний профиль более узкий вверху, чем внизу, а ступенчатый кольцевой профиль имеет в поперечном сечении что-то похожее на выемку, ориентированную в направлении движения при ходе вниз. Кольцо Napier, названное в честь знаменитой британской инженерной фирмы D. Napier & Son, которая первоначально разработала этот профиль, на самом деле имеет подрез под углом или даже в форме крюка по внешнему диаметру, что еще больше уменьшает площадь контакта и обеспечивает пространство для удаления очищенного масла. побег, подальше от отверстия цилиндра. «По порядку, самый эффективный скребок — это Napier, за которым следует ступенька, за которой следует конусность. Используйте Napier, если он доступен для вашего диаметра цилиндра и соответствует канавке в поршне», — заключает Стивенсон.

Тип комбинации, которую вы используете, также повлияет на оптимальный выбор пакета колец, включая второе кольцо. Стивенсон советует: «Более тонкие вторые кольца более распространены в двигателях с сухим картером, вытягивающих большие объемы поддонного вакуума». как трудно. «Естественная аспирация без помощи вакуума обычно должна быть 1,5 мм или больше, в то время как принудительная индукция должна ошибаться в сторону больших 1/16-дюймовых колец», — добавляет он.

Установка надлежащего кольцевого зазора имеет первостепенное значение для достижения желаемых рабочих характеристик двигателя. В любом высокопроизводительном приложении зазор 2-го кольца должен быть больше, чем зазор верхнего кольца, чтобы обеспечить выход газов и предотвратить нарушение уплотнения верхнего кольца вибрацией кольца.

– Конечно, все зависит от диаметра отверстия; вы можете думать об этом как о соотношении размера кольца к диаметру отверстия», — предостерегает Стивенсон. «Четырехцилиндровый двигатель с большим наддувом будет отлично контролировать масло с кольцом диаметром 1,2 мм, в то время как большой блок с диаметром цилиндра 4600 дюймов будет лучше с кольцом 1/16 дюйма. Существуют также существенные переменные в эффективности картера, когда речь идет о контроле масла. Современные двигатели с блоками с глубокими юбками, сегментированными масляными поддонами, решетчатыми поддонами и системой очистки/продувки коленчатого вала влияют на количество масла, попадающего в цилиндры. Чем больше масла, тем тяжелее работа второго кольца».

Как видите, проектирование и проектирование второго кольца — сложная тема, но, к счастью, специалисты Wiseco обладают коллективным опытом во всех формах сборки высокопроизводительных двигателей, чтобы предоставить вам разумные рекомендации для ваших конкретных нужд. Хотя мы не можем охватить все в одной технической статье, мы надеемся, что то, что вы узнали здесь, поможет вам лучше понять «почему», стоящее за спецификациями кольцевого пакета, и в полной мере воспользоваться преимуществами знания, полученные от сотрудников Wiseco при составлении собственной комбинации.

Наука о поршневых кольцах для мотоциклов

Конструкция и технология поршней — не единственное, что было усовершенствовано за эти годы, чтобы не отставать от современных двигателей с высоким спросом. Компания Wiseco постоянно совершенствовала технологию поршневых колец, которая играет не менее важную роль в создании надежных и долговечных деталей.

Технология поршневых колец пережила ренессанс за последние 15 лет. Эпоха современных четырехтактных двигателей привела к необходимости создания прочных и мощных машин. Имеет смысл только то, что поршневые кольца были одной из первых областей интереса. В наши дни любители силовых видов спорта наделены множеством вариантов, созданных с использованием материалов и покрытий космической эры, уникальной геометрии и замечательных технологий герметизации.

Мы рассказываем о новейших разработках в области поршневых колец для четырехтактных двигателей и о том, как эти технологии могут быть полезны как производителям двигателей, так и мотоциклистам.

Конструкции поршня с тремя кольцами

В большинстве четырехтактных поршней используются трехпоршневые кольца для эффективного уплотнения при сжатии и контроля масла. Верхнее кольцо служит компрессионным уплотнением. Работа самого верхнего кольца состоит в том, чтобы не допустить прохождения продуктов сгорания, эффективно герметизируя поршень для достижения максимального давления. Второе кольцо отвечает за улавливание любого масла, которое может оказаться на стенке цилиндра. Он помогает соскребать масло до третьего кольца, которое представляет собой отбойное кольцо, собирающее все масло. Нижнее кольцо направляет масло через отверстия в поршне вниз к нижнему концу.

– Вы не хотите, чтобы масло поднималось, как не хотите, чтобы компрессия падала. Вы должны герметизировать в обоих направлениях», — говорит Дэйв Сулеки, инженер Wiseco.

Также имеется очень подробный геометрический дизайн для каждого кольца в компоновке поршня с тремя кольцами. Верхнее кольцо обычно имеет пологую цилиндрическую поверхность, так что кольцо контактирует со стенкой цилиндра на очень узком пути. Эта форма уменьшает трение, но при этом эффективно герметизирует сжатие. И наоборот, второе кольцо имеет угловатую поверхность.

– Представьте зазубренный край, где острая сторона находится внизу. Когда он движется вниз по стенке цилиндра, он соскребает масло, точно так же, как стеклоочиститель, когда он движется вниз», — говорит Сулеки.

Поршни с двумя кольцами

Honda уже давно идет в такт другому барабанщику. Вполне логично, что японский производитель хотел пойти своим путем, когда представил CRF450R в 2002 году. Однораспределительная компоновка, известная в маркетинге как «Unicam», привлекла наибольшее внимание; однако инженеры Honda также разработали уникальную конструкцию поршня с двумя кольцами. Цель отказа от среднего кольца в традиционном поршне с тремя кольцами состояла в том, чтобы ограничить трение в узле и уменьшить высоту поршня. Последним преимуществом является снижение общего веса двигателя (CRF450R был самым легким четырехтактным двигателем 450 в свое время).

Верхнее компрессионное кольцо уплотнено и действует как маслосъемное кольцо. Второе кольцо собирало масло и отправляло его обратно в нижний конец. Honda смогла использовать поршень с двумя кольцами, разработав технологии с верхним кольцом, которое имело и продолжает иметь действительно уникальную геометрию. Верхнее кольцо Honda герметизирует компрессию, а также способно очищать масло при ходе поршня вниз. Это было достигнуто за счет положительного закручивания поршневого кольца.

Сулецкий поясняет: «Если бы кольцо лежало ровно на столе, внешние края кольца на самом деле были бы направлены вверх. Кольцо технически не плоское, а имеет форму конуса. По мере того, как поршень движется вверх в направлении сжатия, кольцо наклоняется вверх и герметизируется. Когда происходит сжатие, кольцо расплющивается и плотно прилегает к канавке поршневого кольца и стенке цилиндра». к стенке цилиндра, чтобы соскребать масло. Кольцо эффективно выполняет две работы.

Улучшения в области материалов

Поршневые кольца не освобождаются от постоянного внимания к использованию материалов космической эры для повышения производительности. По правде говоря, кольца изготавливались из относительно простых материалов еще 25 лет назад. Они были изготовлены из чугуна или легированной стали с каналом, покрытым молибденом или хромом, в месте контакта со стенкой цилиндра. Многие из этих новых колец изготавливаются из легированной стали с одной оговоркой. Вместо того, чтобы наносить хромированные поверхности на кольца, производители колец фактически закаляют кольцо с помощью процесса, называемого газовым азотированием.

«Газовое азотирование — это процесс подачи водорода на поверхность, который упрочняет сталь», — отмечает Сулецкий. «Это делает кольцо более прочным и приводит к лучшему износу стенки цилиндра. Более твердая поверхность очень хорошо работает с отверстиями цилиндров из никасила».

Никель-силикон — чрезвычайно твердая поверхность. Для того чтобы поршневое кольцо надлежащим образом прилегало к стенке цилиндра, оно также должно иметь очень твердую поверхность. Основное внимание уделялось изготовлению колец, которые с каждым годом становятся все тверже, чтобы они имели лучшие свойства износа и лучше уплотнялись на стенке цилиндра.

Технология низкого напряжения

Производителям поршневых колец пришлось адаптироваться к новым конструкциям цилиндров, которые имеют тенденцию к деформации. Это связано с тем, что производители мотоциклов постоянно ищут способы уменьшить вес двигателя. Один из способов сделать это — отливать цилиндры все тоньше и тоньше. В результате цилиндр обычно не остается круглым или прямым. Это создает проблему, когда поршневое кольцо выходит из положения. Решение заключается в использовании колец низкого напряжения. Эта технология позволяет кольцу соответствовать неровным поверхностям. По сути, кольцо способно повторять волнистость стенки цилиндра, поскольку оно скручивается и поворачивается во время хода поршня.

Конструкция кольцевой кромки

Внимательно осмотрите вторую кольцевую площадку, которая находится под верхним кольцом и над смазочным кольцом. Обратите внимание на срезанный канал, который имеет зазубренную форму, напоминающую треугольник. Уникальная форма, плоская сверху и сужающаяся к низу, способствует сбору масла при движении поршня вниз. Это называется аккумулирующей канавкой. Он действует как поршневое кольцо, которое собирает масло и нагнетает его в нижнюю часть.

«Дизайн кольцевой кромки чрезвычайно важен для этих новых четырехтактных двигателей, в которых используются только два поршневых кольца», — утверждает Сулеки. «Вы пытаетесь уменьшить вес и сделать вещи короче и легче. Как выполнить работу трех колец, используя только два кольца?»

Ответ можно найти в форме кольцевой площадки. Эта научная конструкция помогает контролировать масло и гарантирует, что оно не пройдет мимо поршня и не попадет в сгорание. Любой, кто провел много часов с поршнем и кольцами, сможет физически увидеть, что у него есть проблема, когда утром он заведет свой мотоцикл и из глушителя выйдут маленькие клубы синего дыма. Это связано с износом деталей и попаданием масла в зону сгорания двигателя.

Притертые кольца

Прокатитесь на машине мистера Пибоди WABAC в конце 1990-х годов, когда автомобильные компании обнаружили, что производители поршневых колец не могут сделать кольцо достаточно плоским, что необходимо для идеального уплотнения. Они полагались на размещение колец на поверхностной пластине и их шлифовку, чтобы удалить любые выступы или дефекты поверхности. Этот процесс обеспечивает лучшее уплотнение кольцевой канавки. Эта технология, известная как притирка, стала популярной в гонках NASCAR и Pro Stock Drag Racing, где идеальное кольцевое уплотнение дает прирост мощности. В процессе притирки серийное поршневое кольцо превращается в нечто лучшее. Эта технология теперь доступна в мире высокопроизводительных мотоциклов.

«Примерно год назад Wiseco представила поршневые комплекты Racer Elite. Одной из особенностей, которую мы добавили, является притертое компрессионное кольцо», — объясняет Сулеки. «Это сразу же обеспечивает лучшее уплотнение кольца, поэтому вам не нужен период приработки поршня. Обычно кольца со временем должны присаживаться на поршень. Мы устранили это, установив кольцо внахлест на кольцевую канавку. Это очень точная посадка, и вы получаете действительно прочное кольцевое уплотнение. В свою очередь, увеличивается мощность».

Компания Wiseco была настолько впечатлена повышением производительности притертых поршневых колец, что внедрила эту технологию внутри компании.

Узнайте больше о том, как технология притирки колец повышает производительность.

Сулецкий заявляет: «У нас есть возможность притереть практически любое поршневое кольцо для оптимизации поверхности. Мы знали, что нам нужно делать все это под нашей крышей и продавать на рынке. Это интересно, потому что рынок Powersports мало что знает о притертых поршневых кольцах. В то же время это почти повседневная вещь в автомобилестроении».

Преимущества притертого кольца заметны сразу. Повышение производительности, уменьшение прорыва газов и отсутствие периода обкатки поставили поршневой комплект Racer Elite на первое место в категории высококачественных гоночных запчастей премиум-класса.

Газовое портирование

Газовое портирование — это метод, при котором в верхней части поршня просверливаются крошечные отверстия, пересекающие верхнюю часть кольцевой канавки. Технология пропускает продукты сгорания через отверстия и прижимает кольцо к стенке цилиндра. Это метод, используемый для достижения идеального кольцевого уплотнения, но он не рассчитан на длительный срок службы. Это связано с тем, что газовые порты заставляют вещи работать друг против друга, в результате чего кольцо и поршень изнашиваются быстрее. Газовые порты обычно зарезервированы для высококлассных приложений, таких как Drag Racing, потому что они повышают производительность (за счет сокращения срока службы).

Покрытия

Покрытия становятся все более популярными.