Поршневые пальцы: описание, устройство, схема и особенности ремонта

Поршневые пальцы - одни из ключевых деталей двигателя внутреннего сгорания. От их работоспособности напрямую зависит ресурс, мощность и надежность всего силового агрегата. Давайте разберемся, как устроены эти на первый взгляд простые, но очень важные детали.

Назначение и роль поршневых пальцев в двигателе

Поршневые пальцы выполняют в двигателе несколько важных функций:

• Соединяют подвижно поршень и шатун, позволяя им отклоняться друг относительно друга;
• Передают усилие от давления газов на поршень к коленчатому валу через шатун;
• Компенсируют небольшое отклонение оси шатуна от оси поршня при движении;
• Работают в тяжелых условиях высоких давлений, трения и ударных нагрузок.

То есть поршневые пальцы, в отличие от простых осей или штифтов, испытывают колоссальные циклические нагрузки, но при этом должны сохранять подвижность и герметичность соединения на длительный срок. Поэтому к их конструкции и материалам предъявляются особые требования.

Конструкция и основные типы поршневых пальцев

Поршневые пальцы изготавливаются в виде сплошных или полых цилиндрических стержней. У современных двигателей применяются преимущественно полые пальцы. Это позволяет при тех же прочностных характеристиках уменьшить вес детали.

Конструктивно поршневые пальцы бывают двух основных типов:

1. С фиксацией в шатуне или поршне. Такие пальцы не имеют возможности вращаться, требуемый зазор для компенсации располагается в месте незакрепленного соединения.
2. "Плавающие" пальцы, устанавливаемые с зазором как в бобышках поршня, так и в головке шатуна. В этом случае палец может вращаться в обеих сопрягаемых деталях, что уменьшает износ. Для фиксации осевого положения используются стопорные кольца или винты.

Сборка шатунно-поршневой группы с "плавающими" пальцами обычно требует предварительного подогрева поршня для облегчения посадки.

Вне зависимости от типа крепления, поршневые пальцы имеют выкружки и фаски на торцах для облегчения монтажа в сопрягаемые детали, а на боковой поверхности - продольные маслостоки.

Основные размеры и параметры поршневых пальцев

Размеры и допуски поршневых пальцев регламентированы конструкторской документацией на конкретный двигатель. Тем не менее, можно выделить несколько ключевых параметров:

• Диаметр - наиболее важный параметр, определяющий размерную группу и возможность замены конкретного пальца;
• Длина пальца;
• Толщина стенки у полых пальцев;
• Шероховатость поверхности (обычно не более ^Ra 0,16 мкм);
• Твердость рабочей поверхности (HRC 58-65) и сердцевины (не менее HRC 32);
• Допустимые значения натягов и зазоров в сопрягаемых отверстиях.

Например, диаметр поршневых пальцев в классических двигателях ВАЗ составляет 21,97-22 мм. При износе и ремонте подбирают пальцы трех ремонтных размеров с шагом в 4 микрона.

Правильный подбор параметров при замене поршневых пальцев чрезвычайно важен для обеспечения работоспособности и ресурса всей шатунно-поршневой группы.

Материалы для изготовления поршневых пальцев

Для изготовления поршневых пальцев применяются различные марки конструкционных и легированных сталей. Наиболее распространены следующие материалы:

• Углеродистые стали марок 15, 20, 45 и др. Обычно подвергаются поверхностной цементации для повышения твердости;
• Легированные хромистые стали 20Х, 40Х, 15Х и др. Закаливаются токами высокой частоты;
• Коррозионностойкие и износостойкие стали 12Х2Н4А, 15ХМ, 12ХНЗА.

Термическая обработка поршневых пальцев преследует несколько целей:

1. Повышение твердости рабочей поверхности для устойчивости к износу и задирам;
2. Сохранение пластичности и вязкости сердцевины;
3. Снятие внутренних напряжений, которые могут привести к растрескиванию или деформации.

Неисправности поршневых пальцев

В процессе эксплуатации поршневые пальцы подвергаются интенсивному износу и разрушению. Наиболее распространенные неисправности:

• Повышенный износ рабочей поверхности, увеличение зазоров;
• Задиры, наклепы, риски от трения о стенки;
• Деформация, искривление, появление овальности;
• Трещины усталостного или коррозионного характера;
• Нарушение герметичности полости у полых пальцев.

Симптомы неисправных поршневых пальцев

Неисправности поршневых пальцев проявляются в следующих симптомах:

• Повышенный шум, стуки и "ток" в зоне верхней части цилиндра;
• Вибрация и "завал" двигателя, особенно на высоких оборотах;
• Потеря мощности и динамики;
• Повышенный расход масла;
• Ухудшение компрессии в одном или нескольких цилиндрах.

При появлении подобных симптомов необходимо провести диагностику и при необходимости заменить изношенные или поврежденные поршневые пальцы.

Диагностика и замена поршневых пальцев

Для диагностики состояния поршневых пальцев используют:

• Стетоскопическое прослушивание двигателя;
• Измерение размеров и геометрии пальцев;
• Проверку овальности микрометром;
• Контроль твердости поверхности.

Технологии упрочнения и восстановления поршневых пальцев

Для повышения ресурса поршневых пальцев применяются специальные технологии упрочнения:

• Лазерное упрочнение рабочей поверхности для повышения износостойкости;
• Нанесение износостойких, антифрикционных покрытий методами PVD или CVD;
• Пластическое деформирование поверхности для снятия остаточных напряжений.

Кроме того, возможно восстановление изношенных пальцев методами:

• Механической обработки и полировки;
• Наплавки изношенных поверхностей;
• Нанесения композиционных ремонтных составов.

Рекомендации по выбору новых поршневых пальцев

При необходимости замены поршневых пальцев следует учитывать:

• Размерную группу в соответствии с ремонтным размером отверстий в поршне или шатуне;
• Тип двигателя и особенности конструкции (марка автомобиля);
• Условия эксплуатации и особые требования к износостойкости или коррозионной стойкости.

Лучше приобретать поршневые пальцы комплектно со стопорными кольцами и другими деталями шатунно-поршневой группы.

Особенности сборки шатунно-поршневой группы

При установке новых поршневых пальцев важно соблюдать:

• Чистоту поверхностей и отверстий;
• Рекомендуемые значения натягов для обеспечения зазоров;
• Моменты затяжки резьбовых соединений;
• Последовательность сборки узла.

Необходимо использовать специальные сборочные приспособления и оснастку.

Эксплуатация поршневых пальцев

Для обеспечения максимального ресурса поршневых пальцев следует:

• Соблюдать периодичность замены масла в ДВС;
• Использовать рекомендованные моторные масла хорошего качества;
• Избегать эксплуатации на предельных режимах и перегрева двигателя.