Поршневой палец - единство поршня и шатуна

«Анатомия» пальца                                                                                                                                                                            

Поршневой палец входит в состав одноимённой группы ДВС. Полая (очень редко сплошная) деталь цилиндрической формы изготовлена из стали. С её помощью выполняется шарнирное соединение двух подвижных компонентов ДВС – шатуна и поршня. По типологии дисциплины «детали машин» ПП представляет собой ось шарнира.

В моторах поршневого типа тепловая энергия, которая образуется при горении топлива в цилиндрах, преобразуется в энергию движения с помощью кривошипно-шатунного механизма. Двумя базовыми рабочими элементами являются поршень и шатун, связанные шарниром. Благодаря последнему оси шатуна и поршня могут отклоняться от одной прямой. Палец поршневой и служит «исполнительным органом» этого подвижного соединения.

Играя роль шарнира, ПП передает вращательный момент от поршня к шатуну при работающем двигателе. В момент запуска мотора передача моментов идёт в обратном направлении.

Роль пальца не сводится к статическому соединению двух  частей поршневой группы. Это деталь, которая обеспечивает согласованную работу всех элементов группы, а косвенно – и сопряжённого коленчатого вала. Деформация и разбалансировка ПП в результате постепенного износа или удара ставит под угрозу работу силовой установки в целом. Но прежде чем приобретать новые детали, нужно разобраться в конструктивных особенностях разных видов ПП.

Виды и характеристики

Конструкция ПП едина для разных моделей ДВС. Это тонкостенный цилиндр, который крепится в поршневых бобышках и головной части шатуна. Торцы стержня снабжены фасками для простого крепления. Возможно исполнение дополнительных элементов в корпусе:

• конусообразная расточка внутренних стенок для снижения массы изделия;
• нанесение кольцеобразных поясков на внутренних поверхностях с целью повышения их прочности;
• исполнение отверстий для жёсткого крепления пальца в поршневых бобышках.

Серийные ПП делают из машиностроительной углеродистой  стали марок Ст15, Ст20, Ст45 и др. В некоторых случаях берется хромистая легированная сталь (Ст-20Х, Ст-40Х, Ст-45Х, Ст-20ХНЗА).

Если изделие выполнено из стали с низким содержанием углерода, внешняя поверхность и торец подвергаются закалке на глубину до 1,5 мм. В результате твердость снаружи варьируется в диапазоне от 55 до 62 HRC1, в то время как твердость внутренней поверхности стержня не превышает 30 HRC.

Закалка деталей из среднеуглеродистых сталей выполняется с помощью высокочастотного электрического тока. Также внешняя поверхность шлифуется. В результате закалки сочетается износостойкость внешней поверхности и достаточно высокие амортизационные характеристики внутренних слоев. Последнее делает механизм устойчивым и к резким ударным и вибрационным нагрузкам, неизбежным при эксплуатации ДВС.

В результате шлифовки нейтрализуются напряжения, возникшие в стенке во время изготовления детали. Если её не отшлифовать, высок риск появления наклепов и задиров, которые могут привести к разрушению стенок.

Как крепят пальцы?

Крепление ПП к поршню обеспечивают бобышки – два симметричных расширения с продольными отверстиями. Соединение предусматривает две формата ПП:

1. Плавающий.
2. Запрессованный в «тело» шатуна. 

Вторая конструкция реализуется чаще, поскольку жесткая фиксация ПП в головке исключает смещение изделия относительно оси. В то же время нежёсткое крепление в бобышках предусматривает определенную степень свободы - ПП может смещаться, что гарантирует гибкую адаптацию механизма ко всем режимам работы двигателя. Кроме того, благодаря зазору сохраняется возможность смазки трущихся деталей. Хронический недостаток смазки – ахиллесова пята поршневых пальцев.

Это любопытно. Поршневые пальцы, запрессованные в шатун, устанавливались ещё на первенце завода АвтоВАЗ – знаменитой «копейке» ВАЗ-2101. Такая же инновационная для 70-х годов схема была реализована на «пятерках» 2105, а позже и на «восьмерках» 2108.

Плавающий палец

Механизм с плавающим ПП свложнее, поскольку требует установки дополнительных деталей. Зазоры присутствуют и в бобышках поршня, и в головке шатуна. Проворачивание происходит относительно свободно. Камень преткновения – неизбежное смещение. Для устранения этого эффекта используют пружинные кольца, которые не допускают выпадение ПП.

Материал колец – гибкая стальная проволока или штампованные гибкие пластинки прямоугольной формы. Для удобства установки колец на их концах делают вспомогательные отверстия под инструмент. Стопорные кольца ПП истираются быстро, поэтому приходится достаточно часто извлекать старые компоненты и ставить новые.

Альтернативное техническое решение – стопоры-грибки (заглушки), которые изготавливают из мягкой стали, чтобы не повредить поверхность цилиндра, контакт с которой при возвратно-поступательном движении поршня неизбежен. Такая конструкция характерна для двухтактных двигателей с конкретной схемой расположения впускных и выпускных отверстий. Ещё один вариант фиксации – винт, соединяющий торец и бобышку.

Штатное смещение между осью поршня и осью ПП вне зависимости от типа крепления – 1,5 мм, и даже больше. Смещение позволяет исключить разрушающие нагрузки при прохождении верхней и нижней «мёртвых точек». Если бы не указанная свобода смещения, проворачивание механизма было бы сильно затруднено.

При неисправности поршневой группы слышен характерный стук, водители говорят, что «стучат пальцы». Этот симптом как раз и указывает на недостаток пространства при проворачивании ПП.

Выбор и замена ПП

Интенсивная работа ДВС, особенно с частой сменой режимов, чревата сверхнормативными нагрузками и деформацией деталей. К сожалению, ПП – заведомо неремонтопригодный элемент, при поломке он идёт под замену. Ранним симптомом неисправности служит снижение динамических характеристик мотора, параллельно появляется характерный звук из моторного отсека.

Устранение неисправности предполагает замену изношенных ПП, а иногда по результатам диагностики – и изношенных смежных деталей. Если палец плавающий, то втулки, стопорные кольца и другие мелкие детали надо менять практически всегда. Элементы на замену подбираются по специальным сервисным размерам. Для силовых установок российского производства предусмотрено три штатных размера ПП с шагом 0,004 мм.

Градация позволяет подобрать компоненты с учетом конструкции кривошипно-шатунного механизма, расположением рабочих отверстий и других характеристик. Установка новых деталей может потребовать расточки отверстий и других подготовительных действий, о которых упомянуто выше.

Пальцы обычно продаются четными комплектами (по 2,4 и более штук). В комплект могут входить стопорные кольца и другие вспомогательные детали.

Установка плавающих пальцев редко требует применения электрооборудования. Штатные элементы устанавливаются вручную или с применением нехитрого ручного инструмента. Монтаж запрессованного ПП требует применения специального прессовочного оборудования, которое внешне напоминает тиски.

Установка в натяг

Крепление плавающего ПП в бобышке может потребовать нагрева деталей до 55-75°. Мастера называют операцию установкой в натяг. Смысл процедуры в том, чтобы исключить стук при запуске двигателя. Стук связан с тем, что у алюминиевого поршня и стального ПП разные коэффициенты теплового расширения. При установке в натяг расстояние между деталями минимально, и соударения при холодном запуске не происходит.

Замена ПП предполагает диагностику и разбор мотора и требует соответствующих профессиональных навыков и экипировки. Правильно подобранные и квалифицированно установленные пальцы – залог полноценной и безаварийной работы силовой установки в целом.