zarubin
Тула
zarubin
Был(-а) на сайте 13 часов назад

Поршень мотоцикла. Как появился, виды, как работает


25.06.2021 [20:24],

Что киборги-археологи будущего подумают обо мне, когда откопают на руинах моего гаража поршень? Решат ли, что это религиозный артефакт? Или сочтут неведомым музыкальным инструментом? Или подумают, что это секс-игрушка?

Если разобраться, то истина как всегда где-то посередине.

Двигатели с поршнями

Двигатели с поршнями появились ещё задолго до появления ДВС. В классическом паровозном двигателе каждый поршень (их обычно там пара) имеет форму простого диска, установленного на концах шатуна. Шатун проходит через уплотнитель, позволяя двигателю работать в двойном режиме: пар впускается поочерёдно то с одной, то с другой стороны поршня, толкая его в ту или другую сторону, давая два рабочих хода в каждом цилиндре на каждый оборот.

Для того, чтобы выдерживать большие поперечные нагрузки на шатун (возникающие из-за того, что он работает под углом к поршню и к нижней шейке), за каждым цилиндром устанавливались два подшипника скольжения, по которым ходит ползун (нечто вроде отдельной юбки поршня). Такие ползуны, также называемые крейцкопфами, до сих пор используются в больших и высоконагруженных дизельных моторах на тяжёлых контейнерных судах. Несмотря на то, что эти ползуны довольно тяжёлые, они не создают особых помех в работе двухтактных дизельных судовых моторах, поскольку те развивают пиковую мощность на скорости вращения 80 оборотов в минуту.

Поршень мотоцикла. Как появился, виды, как работает

А вот где отдельный ползун действительно был ненужной нагрузкой, так это в высокооборотистых двигателях внутреннего сгорания, начавших появляться в последние десятилетия 19 века. В результате был разработан так называемый магистральный поршень, сочетавший в себе функцию уплотнения цилиндра и перераспределения поперечных нагрузок шатуна на поршень. Думаю, становится понятнее, к чему клоню: тонкие дисковые поршни поперечные нагрузки вообще толком не держали, и их по сути соединили с ползунами, присоединив к дисковому поршню юбку. При условии, что а) поршень с юбкой хорошо смазывались и б) не были достаточно горячими для снижения вязкости масла, всё это работало вполне надёжно, выдерживая нагрузки и перераспределяя их на стенки цилиндра.

Консервы и пепельницы

В старых автомобилях поршни выглядели как большие консервные банки - высокие цилиндры с кольцами возле плоского днища. Верх этих поршней (днище и компрессионные кольца) выполняет по сути те же функции, что и дисковый поршень паровой машины, а длинная юбка (обычно куда более длинная, чем диаметр цилиндра) работает ползуном, скользя по стенкам цилиндра и перераспределяя боковые нагрузки на шатун.

Поршень с шатуном соединяет поршневой палец - полый металлический цилиндр, зажатый стопорными кольцами между отверстий в юбке поршня, называемых бобышками поршневого пальца.

Поршни с высокой юбкой стояли во множестве старых моторов. Однако, в новых моторах чаще применяются поршни небольшой высоты - вплоть до экстремально коротких. Этим решаются сразу две проблемы. Во-первых, чем поршень тяжелее, тем сильнее вибрирует двигатель. А во-вторых, если пытаться его облегчить путём уменьшения толщины стенок, то он служит очень недолго.

Поршень мотоцикла

В мотоциклетном двигателе поршень передаёт на стенки цилиндра довольно большие усилия - на заднюю на такте рабочего хода и на переднюю на такте сжатия. Получается, что поршень в основном касается стенок цилиндра только двумя небольшими дугами юбки, поэтому остальную часть юбки конструкторы убрали, а дуги соединили прямыми перемычками. Снизу такой поршень выглядит как коробка со скруглёнными короткими сторонами.

Поршень мотоцикла Поршень мотоцикла

Такая конструкция упрочнила трущие по стенкам цилиндра части поршня и серьёзно снизила его вес. Также это позволило сделать поршневой палец короче, а его бобышки (втулки в стенках поршня) наоборот усилить более толстыми стенками. Такой поршень по-английски называется "slipper piston" - скользящий поршень.

В мотоциклетных двигателях короткие поршни применяются довольно давно - с конца 20-х годов прошлого века. Когда спецы английской авиационной компании Bristol Aeroplane Company устали от того, что некачественные литые поршни в радиальном авиадвигателе Jupiter трескаются, они перешли на кованые (штампованные) поршни. Однако, литьё позволяет легко делать рёбра сложной формы, а вот в штампованных поршнях либо остаются сплошные переходы, либо их приходится фрезеровать, чтобы убрать лишний вес. Да и то, выбрать металл между днищем поршня и верхней частью бобышек поршневого пальца не так-то просто.

А почему не оставить поршень полнотелым?

Во-первых, из-за веса. А во-вторых, тепловое расширение днища поршня будет передаваться и на бобышки, которые будут сжимать калёный стальной палец, он начнёт в них подклинивать, и дело может кончиться растрескиванием материала поршня. В-третьих, прямая передача тепла от днища поршня к бобышкам, пальцу и в итоге - верхней шейке коленвала приведёт к быстрой деградации масла и недостатку смазки этого нагруженного и критически важного узла.

Один из вариантов решения этой проблемы, использованный, например, Kawasaki в модели 750 H2-R - это попросту сконструировать фрезерную установку, способную добраться до лишнего металла под днищем поршня и снять его слой за слоем.

В упомянутой Bristol Aeroplane Company к этому вопросу подошли с позиций веса поршней. Когда бобышки встроены в юбку поршня, палец получается совсем немного короче диаметра поршня. А вот в поршнях с коробчатой юбкой бобышки расположены значительно ближе друг к другу, а отсюда и более короткий палец, и намного более лёгкий поршень. В этом варианте бобышки поршневого пальца от избыточного тепла изолируют путём увеличения расстояния между ними и днищем поршня - попросту делают их ниже. В 60-х годах такими поршнями Yamaha оснащала свои двухтактные модели.

В современных двигателях благодаря жидкостному охлаждению и совершенной системе смазки трение поршня о стенки цилиндра под воздействием боковых сил от шатуна - не слишком большая проблема, но так было не всегда. В 20-х годах участники Isle of Man TT, запуская с толкача свои мотоциклы, знали, что поначалу надо ехать аккуратно и медленно, пока масло не прогреется до рабочей температуры и не покроет стенки цилиндров - иначе задиров не избежать. Выпускались даже особые стартовые смазчики, срабатывавшие при запуске двигателя и наносящие слой специальной смазки на заднюю, самую высоконагруженную стенку цилиндра в надежде предотвратить задиры и тем более прихват. И это четырёхтактные моторы, представляете?

Поршень мотоцикла. Длина шатуна, размер мотора и боковые нагрузки

В 20-х годах, пытаясь уменьшить общий диаметр многопоршневых радиальных авиационных двигателей, их делали с максимально короткими шатунами, в результате чего возрастали боковые нагрузки на поршни. К тому же эти моторы имели воздушное охлаждение, и сочетание горячих цилиндров, горячих поршней и сильных боковых нагрузок приводило к частым задирам и прихватам. Эти поршни, даже несмотря на смазку, синели от перегрева в результате трения, и тем не менее, когда аналогичную конструкцию (короткие шатуны) использовали в V8 Oldsmobile 455 (тоже для компактности, чтобы он влезал между элементами передней подвески), он работал отлично - всё благодаря жидкостному охлаждению.

К концу Второй Мировой в авиационных двигателях широко использовались масляные струи, направленные на поршни снизу, обеспечивающие одновременно смазку и охлаждение. Уважаемый конструктор Том Сифтон либо знал об этом, либо изобрёл масляные джеты независимо, и его конструкция решила проблемы с деформацией поршней в гоночных флэтхедах Harley Davidson, которые он готовил для легендарного Джо Леонарда. В наши дни практически в любом мотоциклетном двигателе, будь то туристический, эндуро или спортбайк, поршни имеют ту или иную систему охлаждения, и часто это именно масляные струи.

Так всё-таки, вопрос века: кованые или литые поршни?

А ответ не так однозначен. Пока мотоциклетные двигатели имели воздушное охлаждение, их поршни сохраняли архаичную конструкцию с длинной полнотелой юбкой. Зачем? А для охлаждения: чем юбка более длинная, тем больше площадь соприкосновения её с цилиндром, и тем лучше от поршня отводится тепло. В таких двигателях это основной способ охлаждения поршней, а небольшое количество масла, разбрызгиваемого коленвалом, лишь дополняет его.

С улучшением охлаждения поршней мотоцикла и появлением современных присадок в масла, снижающих окисление и превращение в лаковые отложения, кольца на поршне переместились выше к горячему днищу. Более оборотистые двигатели потребовали более тонких и лёгких компрессионных колец, малая инерция которых предотвращает их перемещение в канавках, когда поршень притормаживает, приближаясь к верхней мёртвой точке. Следом за кольцами облегчения потребовал палец - чем выше крутится двигатель, тем сильнее влияет каждый лишний грамм веса поршня - от вибрации, и до потерь энергии на шатунных шейках из-за инерции. В некоторых современных поршнях палец находится так высоко, что для его снятия нужно сначала снять маслосъёмное кольцо.

Конструкция поршня мотоцикла и экология

Поршень мотоцикла. Как появился, виды, как работает

Казалось бы, какая нам разница, насколько высоко находятся кольца на поршне? Старый воздушный Ducati и сегодня отлично работает, а его верхнее компрессионное кольцо находится в 16мм от днища поршня.

Увы, но нынешние двигатели находятся в тесных рамках эконорм, регламентирующих, в частности, количество несгоревших углеводородов в выхлопе. При этом в зазорах между компрессионным кольцом и канавкой, между двумя компрессионными кольцами и между жаровым поясом и стенками цилиндра может оставаться довольно много несгоревшей смеси, попавшей туда на такте сжатия через замок верхнего кольца. Там она сжимается из-за повышения давления в камере сгорания, но не сгорает, и высвобождается, когда поршень идёт вниз и давление падает. Затем на такте выпуска эта спрятавшаяся несгоревшая смесь выходит в выхлоп и портит цифры на газоанализаторе, не говоря уж об экологии. Чем выше находятся кольца и чем ближе они друг к другу, тем меньше свободного пространства в поршне может занять несгорающая смесь, которая, кстати, могла бы вместо порчи воздуха добавить немного тяги мотору.

Благодаря современным материалам и покрытиям, улучшенному охлаждению и большому количеству масла на стенках цилиндров, не попадающего в камеру сгорания из-за высокоэффективного маслосъёмного кольца современной конструкции, даже узкие и короткие сегментарные юбки поршней справляются с нагрузками. Есть, впрочем, и обратная сторона: короткие поршни сильнее проворачивает в цилиндре, и это ухудшает компрессию. Поэтому верхние кольца делают не с острой кромкой, а бочкообразного сечения. Такое кольцо не только лучше уплотняет независимо от угла наклона, но и меньше нуждается в обкатке, а точнее, обкатывается значительно быстрее.

И всё же, литьё или штамповка?

У каждой технологии есть плюсы и минусы. Штамповка обладает высокой усталостной прочностью, а литьё (которым оснащается большинство двухтактников) - лучше держит нагрев. При этом штамповка довольно пластична, это и хорошо, и плохо. Литые поршни часто растрескиваются в районе перемычки между канавками колец, а кованые в этой же области способны просто деформироваться, из-за чего кольца подклинивают. Современные высоконагруженные четырёхтактные моторы чаще оснащены коваными поршнями, но например ультра-крутильный GP-шный воздушник Honda из 60-х оснастили литыми поршнями - очевидно, вопрос с перегревом поршней в нём стоял острее, чем усталостная прочность.

Сегодня, когда длинные поршни - "банки" превратились в невысокие и плоские "пепельницы", вес поршней снизился, что позволило сделать легче и шатуны. Снижение подвижной массы уменьшило вибрации, а это позволило уменьшить щёки коленвала и коренные подшипники. Были разработаны превосходные материалы для изготовления поршней, и всё, что нужно - это сделать их цену доступной массовому потребителю. Впрочем, в наше время любое улучшение достаточно быстро поступает в тираж, становясь доступным, потому что следом возникает потребность в следующем улучшении, и в следующем, и в следующем…

Поршень мотоцикла в будущем

Рано или поздно миром безраздельно завладеет Цифра и её основы - Электричество и Кремний. Когда-нибудь кто-нибудь создаст СуперБатарею - дешёвую, быстро заряжающуюся и энергоёмкую, и нам останется лишь с сожалением проводить в историю поршни со всеми их недостатками. Что ж, некоторые из них вполне годятся в качестве элемента интерьерного декора - будем надеяться, что пепельницы к тому времени уже никому не будут нужны.

Фотогалерея "Поршень мотоцикла. Как появился, виды, как работает"

(смотреть все 3 фото)
Материалы по теме
24.05.2022

MV Agusta Brutale 1000 RS 2022. Отзыв

Говорят, мощность - это хорошо, мощность - это надёжно, её много не бывает… Но представьте-ка себе дорожник, выдающий больше 500 лошадей при вполне стандартном весе. Вот была бы лютая зажигалка, да?

21.05.2022

CFMoto 150NK 2023. Про обновления

Бренд CFMoto обновил свою модель начального уровня 150NK на 2023 модельный год, сделав её безопаснее и проще в управлении, а также придав более спортивную молодёжную эстетику.

21.05.2022

Husqvarna 2023. Подробности про кроссовые и кросс-кантрийные модели

Новое поколение кроссовых и кросс-кантрийных моделей Husqvarna 2023 года стало ещё надёжнее и долговечнее, сохранив при этом готовность к участию в гонках в стоковом состоянии. Осторожно много текста.

5.0/2
Поделиться
Комментарии "Поршень мотоцикла. Как появился, виды, как работает"