Все о поршневых кольцах. Часть 1 — принцип работы.

Поршневое кольцо — очень простая деталь с точки зрения инженерного гения. Это разрезное металлическое кольцо, часто прямоугольного или трапециевидного сечения. Устанавливаются они в канавки поршня и прижимаются к стенкам цилиндра во время работы под влиянием некоторых сил, о которых подробнее далее.

Многие заметили, что в свободно состоянии, диаметр поршневого кольца несколько больше диаметра цилиндра и отогнуто от замка наружу. Такая конструкция позволяет после установки кольца в цилиндр плотнее прижиматься к стенкам, чем и обусловлена ее эффективность. Однако кроме силы разжатия самого кольца, в процессе работы двигателя на него давят также иные силы рабочего газа или жидкости. Они проникают в канавки поршня и с давлением, во много раз превышающим натяжку самого кольца, выталкивают его из канавки наружу, тем самым сводя к минимуму попытки рабочих газов проникнуть в кривошипную камеру.

Многие тюнинговые комплекты поршневых групп для скутеров комплектуются именно поршнем с одним кольцом. Это несколько снижает трение. В принципе, при надлежащем качестве деталей, этого вполне достаточно для нормальной работы двигателя.

Та натяжка поршневых колец, которая существует в момент вставки их в цилиндр является лишь предварительным условием для нормальной работы двигателя. Такая конструкция по принципу в данном случае напоминает манжеточное уплотнение.

Также данное уплотнение можно привести в пример с лабиринтным уплотнением. У колец, установленных в канавках, имеются торцевые радиальные зазоры и в момент прижатия к стенкам канавок, они образуют последовательность кольцевых полостей.

На скутере, это, например, верхнее и нижнее кольцо. Рабочий газ, проникая в полость первого кольца, в данном случае — верхнего, переходит в полость нижнего только через щель в замке кольца и давление на нижнем, естественно, значительно ниже. Проще говоря, весь удар, в ЦПГ скутера при работе берет на себя именно верхнее кольцо. Пример можно наблюдать на рисунке ниже:



Если не брать во внимание только двигатель скутера, то можно привести множество примеров с нагруженной рабочей частью, где на поршне используются 5 колец и более. При этом, давление в каждой следующей канавке падает. В таком случае соблюдается полная герметичность. Такая конструкция актуальна в агрегатах высокого давления. Пример ниже:



Некоторые агрегаты могут комплектоваться двумя и более кольцами в одной канавке для уменьшения осевых габаритов уплотнения. Дальше пример:



Обычно поршневые кольца проектируются для каждой канавки таким образом, чтобы соблюдался торцевой зазор дельта в пределах 5-10% их высоты.Рабочий зазор между тыльной стороной и днищем канавки рассчитывается по следующей формуле от ширины кольца:



Теперь о зазоре в замках. Он должен подбираться с учетом условий температурных деформаций. Когда двигатель горячий, зазор в замке будет уменьшаться, для нормальной работы двигателя. Если изначально зазор будет слишком маленьким, заклинивания и перегрева не избежать.

Со временем, по мере износа самих колец, зазор в замке увеличивается и кольца подлежат замене. На скутерах это особенно актуально, так как минимальный износ может повлечь за собой значительное падение мощности.