Поршневой палец

Поршневой палец (англ. piston pin, нем. Kolbenbolzen) — сплошной или полый цилиндрический стержень, служащий для подвижного шарнирного соединения поршня с шатуном. Аналогичные детали имеются в шарнирных соединениях ползунов, крейцкопфов, рычажных механизмов и обычно называются осью шарнира.

История

В паровых машинах основным видом кривошипно-шатунного механизма выступал крейцкопфный. Поэтому у их наследников, первых моделей тихоходных ДВС Э. Ленуара 1860, Н. Отто 1862 и Р. Дизеля 1897, которые предназначались для стационарных условий, поршень жестко соединялся со штоком, а уже шток через шарнир воздействовал на шатун. Но для транспортных ДВС крейцкопфная схема оказалась слишком громоздкой и тяжёлой, поэтому с конца XIX века на быстроходных автомобильных и авиационных ДВС применяется тронковая схема. В этой конструкции шатун соединяется с поршнем поршневым пальцем.

Типология и классификация

Классификатор ЕСКД «Классификатор изделий и КД машиностроения и приборостроения» относит поршневые пальцы к 71 классу общемашиностроительных деталей — тела вращения.

В Российской Федерации требования к производству поршневых пальцев нормируются:

ГОСТ Р 53443-2009 Автомобильные транспортные средства. Пальцы поршневые двигателей. Общие технические требования и методы испытаний.
ОСТ 23.3.13-86 Пальцы поршневые тракторных и комбайновых дизелей. Общие технические условия.

В деталях машин поршневой палец в соединениях с поршнем и шатуном образует по классификации И. И. Артоболевского кинематическую пару с одной степенью свободы. Эта кинематическая пара относится к высшим, то есть имеет контакт по поверхности.

С точки зрения динамического расчета ДВС поршневые пальцы относятся в группе поршня, которая вызывает силы инерции поступательно движущихся масс. С точки зрения видов нагружения поршневой палец относится к стержням, рассчитываемым на срез и смятие. С учетом малых плечей действия сил (расстояние между головкой шатуна и бобышкой поршня очень мало относительно общей длины опор пальца) расчет на изгиб не производится.

Плавающий поршневой палец, головка и втулка шатуна, стопорные кольца
Поршневой палец в бобышках поршня (двигатель Citroën)
Производство поршневых пальцев на заводе Morrow & Hinkley Motor, США, 1920 год

По конструкции поршневые пальцы делятся на:

сплошные (у ДВС малых размерностей, например в авиамоделизме);
полые (основная масса ДВС).

По посадкам деталей в шарнире:

палец — бобышки с зазором, палец — головка шатуна с зазором (т. н. «плавающий палец», наиболее распространенная схема);
палец — бобышки с зазором, палец — головка шатуна с натягом (не требует осевой фиксации, но выше износ бобышек):
палец — бобышки с натягом, палец — головка шатуна с зазором (практически не используется).

Материалы, технология производства и термообработка

Материалами поршневых пальцев малоуглеродистые и легированные стали (12Х2Н4А, 12ХНЗА, 15ХМА и др.). Заготовки получают прокатом, далее осуществляется черновая механическая обработка. Далее они проходят поверхностную цементацию и закалку (как правило ТВЧ), достигается твердость поверхности 55…65 HRC, сердцевина существенно мягче. Закаленные пальцы шлифуют на круглошлифовальных или бесцентровошлифовальных станках и полируют. Сборка соединений с натягом связана с большими усилиями.

Применяют следующие методы сборки и разборки:

С созданием усилия:

ударный метод (в настоящее время считается кустарным, вызывает задиры и деформации втулки шатуна);
винтовыми приспособлениями;
гидравлическим прессом с оправками.

За счёт температурного расширения металла:

нагревом шатуна до 60…85 °C;
охлаждение пальца жидким азотом.

Смазка

Смазка поршневых пальцев автомобильных ДВС осуществляется масляным туманом, а также маслом, которое снимается маслосъёмными кольцами. В крупноразмерных судовых двигателях шатун может иметь специальный маслоподводящий канал к поршневым пальцам.

Диагностика и контроль

Диагностика износа соединения пальцев с головкой шатуна и бобышками поршня ведется по стукам и шумам. Прослушивают мембранным или электронным стетоскопом стуки в зоне верхней части цилиндра (характерный звук высокого тока).

Контроль размеров пальца ведётся микрометром или скобами. Контролируется наружный диаметр в двух плоскостях, овальность и конусность. Твердость поверхности поршневых пальцев контролируется по Роквеллу, обычно выборочно на линиях завода-изготовителя. Контроль по массе для избежания неравномерности ведётся при сборке для всей поршневой группе в сборе.

Стетоскоп медицинский, у промышленной модели мембрана на длинном полом стержне.
Микрометр 0-25