Рассмотрены основные направления совершенствования конструкции поршней. Выявлены направления, выгодные как производителю, так и потребителю. Представлены варианты конструкций поршней, разработанные с учетом указанных требований

Белогуб, Александр Витальевич

Стрибуль, А. С.

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Испытания ДВС 
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 132 
УДК 621.43 
А.В. Белогуб, канд. техн. наук, А.С. Стрибуль, инж. 
 
ПРОГРЕССИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ 
ПОРШНЕЙ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ 
 
Введение 
Назревшая необходимость оптимизации основ-
ных параметров автомобильных поршней следует из 
оценки требований, предъявляемых к поршням уча-
стниками процесса, причем для разных категорий 
участвующих эти требования  могут, как совпадать, 
так и различаться.  
Участники процесса: 
 производитель отливки или заготовки порш-
ня; 
 производитель поршня; 
 потребитель первичный (конвейер); 
 потребитель вторичный (рынок запасных 
частей); 
Поскольку ОАО «АВТРАМАТ» является про-
изводителем полного цикла – от сплава до готового 
поршня, мы будем рассматривать производителя 
двух переделов сразу.  
 
Формулирование проблемы 
В таблице 1 представлены основные требова-
ния к поршню перечисленных участников. 
Совпадающие требования – минимальная стои-
мость и репутация. Несовпадающие - экология, эко-
номичность, т.е. то, что относиться исключительно к 
техническим требованиям. Однако, учитывая неиз-
бежное падение спроса на рынке запасных частей 
СНГ в связи с мировыми тенденциями снижения 
календарных сроков эксплуатации  легкового транс-
порта и увеличения общего ресурса их двигателей, 
особенно актуальным является удовлетворение пер-
вичного, конвейерного, потребителя, где техниче-
ские требования выходят на первое место.  
 
Таблица 1. 
Производитель Потребитель 
 первичный 
Потребитель 
вторичный 
1. Минимальная 
производственная 
стоимость; 
2. Высокая репу-
тация производи-
теля (бренда);  
3. Минимальные 
издержки при 
реализации 
1. Удовлетворе-
ние техниче-
ским требова-
ниям (экология, 
ресурс, эконо-
мичность ДВС); 
2. Надежность 
поставок; 
3. Минимальная 
цена; 
4. Высокая ре-
путация произ-
водителя (брен-
да);  
1. Высокая 
репутация 
производителя 
(бренда); 
2. Специфиче-
ские техниче-
ские требова-
ния – повыше-
ние экономич-
ности «на до-
верии»; 
3. Конкурент-
ная цена 
К параметрам двигателя, на которые может по-
влиять конструкция поршня, относятся:  
 механические потери (потери на трение); 
 расход топлива; 
 выбросы вредных компонентов с отрабо-
тавшими газами; 
 шум и вибрации.  
При этом снижение расхода топлива и выбро-
сов СО2 являются прямым следствием снижения по-
терь на  трение.  
 
Решение проблемы 
В продолжение 6-ти лет сначала АОЗТ «Укра-
инские моторы», а затем и их правопреемник  ОАО 
«АВТРАМАТ» занимаются разработками и произ-
водством поршней с новыми техническими парамет-
рами, удовлетворяющими возрастающим требовани-
ям производителей автомобильных двигателей. Для 
успешного решения задач по повышению парамет-
ров двигателей за счет оптимизации конструкции 
поршня без значительного увеличения его стоимости 
в ОАО «АВТРАМАТ» была создана система сквоз-
Технология производства ДВС 
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 133 
ного проектирования, которая дала возможность в 
достаточно сжатые сроки вывести на рынок ряд но-
вых конструкций. Технология проектирования за-
щищена патентом. 
В плане разработок решались следующие зада-
чи: 
 минимизация трения; 
 минимизация установочного зазора   
В свою очередь минимизация потерь на трение 
разделяется на 2 задачи – минимизация массы с со-
хранением или увеличением базовых прочностных 
характеристик и оптимизация формы и площадей 
соприкасающихся поверхностей. 
Под минимизацией установочного зазора по-
нимается уменьшение величины бочкообразности и, 
где это целесообразно эллипсности поршня, что при-
водит к увеличению пятна контакта, как следствие 
снижению давления в местах контакта и, как мы 
предполагаем следствием чего будет уменьшение 
износа и увеличение ресурса. Этому предположению 
есть подтверждение – поршни, прошедшие полный 
цикл ресурсных испытаний имеют достаточно не-
значительный для такого срока работы износ и могут 
эксплуатироваться дальше. Кроме того, уменьшение 
зазора приводит к уменьшению шумов при пере-
кладке поршня. 
Была произведена оценка потерь трения в зави-
симости от конструктивных параметров, показавшее, 
что 10% -е уменьшение массы на распространенном 
двигателе ВАЗ-21083 может привести к увеличению 
макс. мощности и момента на 150…300 Вт и 
0.25…0.5 Нм соответственно. Это эквивалентно по-
вышению экономичности и снижению выбросов СО2  
при испытаниях по ездовым циклам. 
При оценке учитывалось только трение в паре 
юбка поршень-гильза без учета изменения трения в 
узлах кривошипно-шатунного механизма. Кроме 
того, в большинстве поршней была уменьшена вели-
чина смещения пальцевого отверстия, что также спо-
собствует снижению потерь трения.  В результате 
реальные величины повышения мощности и момента 
оказались значительно выше. Коэффициент трения в 
расчете принят 0,04…0,08. Как пример на рис.1 и 2 
показаны мощности трения юбка поршня - цилиндр 
в зависимости от смешения пальцевого отверстия и 
массы поршня соответственно. 
 
Рис. 1. Зависимость мощности трения юбка поршня 
– гильза от смещения пальцевого отверстия в рас-
чете на 1 поршень. Частота вращения n=5500 мин-1 
 
Новые разработки в обязательном порядке про-
ходит испытания на моторных стендах по стандарт-
ным методикам ресурсных испытаний. На рис.3 
представлены испытательные стенды, использую-
щиеся при доводке поршней. 
В настоящее время в ОАО «АВТРАМАТ» раз-
работаны, испытаны и производится ряд поршней, 
обладающих  техническими характеристиками, пре-
восходящими прототипы (рис.4). 
 
Рис. 2. Зависимость мощности трения юбка поршня 
– гильза массы поршня в расчете на 1 поршень. 
Частота вращения n=5500 мин-1 
Испытания ДВС 
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 134 
  
а) с гидротормозом SHENK б) с электротормозом VSETIN 
Рис. 3. 
 
 
ЗМЗ-406 (406.1004015Н) 
Ø92; 92,5; 93мм. 
Масса-431г 
 
УМЗ-421(421.1004015М) 
Ø100;100,1;100,5;101мм. 
Масса – 545 г 
 
ВАЗ-21213Н 
(21213.1004015Н) 
Ø82,0; 82,4; 82,8мм. 
Масса 322 г. 
 
ВАЗ-2112Н 
(212.1004015Н) 
Ø82,0; 82,4; 82,8мм. 
Масса 312 г. 
 
МеМЗ-307 
(307.1004015Н) 
Ø75,0; 75,25; 75,5мм. 
Масса – 250 г 
 
ВАЗ-2105Н 
Ø79,0; 79,4; 79,8мм. 
Масса 300 г. 
 
ВАЗ-21083М 
Ø82,0; 82,4; 82,8мм. 
Масса 322 г. 
 
ВАЗ-21118М 
Ø82,5мм. 
Масса 235 г. 
(поршень не испытан в 
двигателе) 
Рис.4. Новые поршни ОАО «АВТРАМАТ». Масса соответствует номинальному размеру 
 
Таблица 2. 
Двига-
тель 
Масса, г 
(новый/ старый, 
%снижения) 
Момент, Нм 
(новый/ старый, 
%повышения) 
Мощность, кВт 
(новый/ старый, 
%повышения) 
ЗМЗ-406 431/455 
5 
190/188 
1,1 
97,2/96,6 
0,6 
ВАЗ-
2105 
300/375 
20 
96,8/94,1 
2,9 
53/50,7 
4,5 
ВАЗ-
21083 
322/345 
7 
108,8/106,2 
4,3 
54,2/52,6 
3,0 
ВАЗ-
21213 
322/347 
7,2 
136/131 
3,8 
60/58 
3,4 
ВАЗ-
2112 
304/365 
17 
133/129 
3,1 
70,7/68,8 
2,7 
МеМЗ-
307 
250/285 
12 
108,1/106,5 
1,5 
49,6/49,0 
1,2 
По результатам испытаний получено стабиль-
ное снижение механических потерь, приведенное в 
таблице 2. 
 
Выводы: 
Анализ таблицы 2 показывает, что применение 
поршней новых конструкций для всех участников 
процесса может быть целесообразным: для произво-
дителя снижение материалоемкости; для первичного 
Технология производства ДВС 
ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 135 
потребителя – улучшение экологических параметров 
двигателя (СО2 и вибрации); для вторичного рынка – 
повышение момента и мощности. 
 
 
 
 
 
 
 
 
УДК 621. 43.001.4 
А.М. Левтеров, канд. техн. наук, А.В. Белогуб, канд. техн. наук 
 
КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОРШНЯ БЫСТРОХОДНОГО 
АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ 
 
За последние годы заметно сократились инно-
вационные циклы в автомобильной промышленно-
сти и можно предположить, что при растущей слож-
ности изделий и требований к ним отрасль ждет 
драматическое будущее. Ответом на такой вызов 
времени может стать сокращение затрат на развитие. 
Учитывая, что основу эксплуатируемого автомо-
бильного парка Украины составляют автомобили с 
моторами моделей 30–50-летней давности, уже ос-
нащенных модернизированными системами питания, 
зажигания, регулирования, а создание двигателей 
новых современных конструкций для экономики 
Украины в настоящее время нереально, целесообраз-
но пойти по пути технически и экономически дос-
тупного углубления модернизации двигателей, заме-
няя элементы его конструкции на более совершен-
ные. 
 В частности, одним из главных функциональ-
ных элементов двигателя, определяющих показатели 
его экономичности, надежности и токсичности, яв-
ляется цилиндропоршневая группа. 
Статья предлагает результаты оценки качества 
проектирования модернизированного на ОАО “Ав-
трамат” поршня 21083–М двигателя ВАЗ(4Ч 82/71), 
полученного при совместных исследованиях с отде-
лом поршневых энергоустановок ИПМаш НАН Ук-
раины. 
Конструктивная модернизация базового порш-
ня двигателя ВАЗ– 2108 выполнена по критериям, 
обеспечивающим технологичность изготовления, 
функциональность, экономичность и уменьшение 
массы. 
Вот перечень конструктивных изменений и их 
следствие: 
– отсутствует термовставка, возможное умень-
шение жесткости и ухудшение структуры темпера-
турного поля компенсируется использованием более 
прочного алюминиевого сплава АЛ–25; 
– уменьшена высота поршня на 5,5мм и состав-
ляет 60,4мм; 
– оптимизирован профиль юбки, благодаря че-
му обеспечено нормальное распределение и уровень 
контактных давлений в паре стенка цилиндра – юбка 
поршня; 
– использована оригинальная литейная оснаст-
ка, образующая геометрию внутренней поверхности 
поршня, обеспечивающую лучшее его охлаждение и 
оптимальную структуру температурного поля; 
– бобышки с отверстиями под поршневой палец 
выполнены с двойным углом наклона, что обеспечи-


Прогрессивные решения при проектировании и производстве поршней для автомобильных двигателей

Electronic National Technical University &quot;Kharkiv Polytechnic Institute&quot; Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

Испытания ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 132 УДК 621.43 А.В. Белогуб, канд. техн. наук, А.С. Стрибуль, инж.  ПРОГРЕССИВНЫЕ РЕШЕНИЯ ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ И ПРОИЗВОДСТВЕ ПОРШНЕЙ ДЛЯ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ  Введение Назревшая необходимость оптимизации основ-ных параметров автомобильных поршней следует из оценки требований, предъявляемых к поршням уча-стниками процесса, причем для разных категорий участвующих эти требования  могут, как совпадать, так и различаться.  Участники процесса:  производитель отливки или заготовки порш-ня;  производитель поршня;  потребитель первичный (конвейер);  потребитель вторичный (рынок запасных частей); Поскольку ОАО «АВТРАМАТ» является про-изводителем полного цикла – от сплава до готового поршня, мы будем рассматривать производителя двух переделов сразу.   Формулирование проблемы В таблице 1 представлены основные требова-ния к поршню перечисленных участников. Совпадающие требования – минимальная стои-мость и репутация. Несовпадающие - экология, эко-номичность, т.е. то, что относиться исключительно к техническим требованиям. Однако, учитывая неиз-бежное падение спроса на рынке запасных частей СНГ в связи с мировыми тенденциями снижения календарных сроков эксплуатации  легкового транс-порта и увеличения общего ресурса их двигателей, особенно актуальным является удовлетворение пер-вичного, конвейерного, потребителя, где техниче-ские требования выходят на первое место.   Таблица 1. Производитель Потребитель  первичный Потребитель вторичный 1. Минимальная производственная стоимость; 2. Высокая репу-тация производи-теля (бренда);  3. Минимальные издержки при реализации 1. Удовлетворе-ние техниче-ским требова-ниям (экология, ресурс, эконо-мичность ДВС); 2. Надежность поставок; 3. Минимальная цена; 4. Высокая ре-путация произ-водителя (брен-да);  1. Высокая репутация производителя (бренда); 2. Специфиче-ские техниче-ские требова-ния – повыше-ние экономич-ности «на до-верии»; 3. Конкурент-ная цена К параметрам двигателя, на которые может по-влиять конструкция поршня, относятся:   механические потери (потери на трение);  расход топлива;  выбросы вредных компонентов с отрабо-тавшими газами;  шум и вибрации.  При этом снижение расхода топлива и выбро-сов СО2 являются прямым следствием снижения по-терь на  трение.   Решение проблемы В продолжение 6-ти лет сначала АОЗТ «Укра-инские моторы», а затем и их правопреемник  ОАО «АВТРАМАТ» занимаются разработками и произ-водством поршней с новыми техническими парамет-рами, удовлетворяющими возрастающим требовани-ям производителей автомобильных двигателей. Для успешного решения задач по повышению парамет-ров двигателей за счет оптимизации конструкции поршня без значительного увеличения его стоимости в ОАО «АВТРАМАТ» была создана система сквоз-Технология производства ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 133 ного проектирования, которая дала возможность в достаточно сжатые сроки вывести на рынок ряд но-вых конструкций. Технология проектирования за-щищена патентом. В плане разработок решались следующие зада-чи:  минимизация трения;  минимизация установочного зазора   В свою очередь минимизация потерь на трение разделяется на 2 задачи – минимизация массы с со-хранением или увеличением базовых прочностных характеристик и оптимизация формы и площадей соприкасающихся поверхностей. Под минимизацией установочного зазора по-нимается уменьшение величины бочкообразности и, где это целесообразно эллипсности поршня, что при-водит к увеличению пятна контакта, как следствие снижению давления в местах контакта и, как мы предполагаем следствием чего будет уменьшение износа и увеличение ресурса. Этому предположению есть подтверждение – поршни, прошедшие полный цикл ресурсных испытаний имеют достаточно не-значительный для такого срока работы износ и могут эксплуатироваться дальше. Кроме того, уменьшение зазора приводит к уменьшению шумов при пере-кладке поршня. Была произведена оценка потерь трения в зави-симости от конструктивных параметров, показавшее, что 10% -е уменьшение массы на распространенном двигателе ВАЗ-21083 может привести к увеличению макс. мощности и момента на 150…300 Вт и 0.25…0.5 Нм соответственно. Это эквивалентно по-вышению экономичности и снижению выбросов СО2  при испытаниях по ездовым циклам. При оценке учитывалось только трение в паре юбка поршень-гильза без учета изменения трения в узлах кривошипно-шатунного механизма. Кроме того, в большинстве поршней была уменьшена вели-чина смещения пальцевого отверстия, что также спо-собствует снижению потерь трения.  В результате реальные величины повышения мощности и момента оказались значительно выше. Коэффициент трения в расчете принят 0,04…0,08. Как пример на рис.1 и 2 показаны мощности трения юбка поршня - цилиндр в зависимости от смешения пальцевого отверстия и массы поршня соответственно.  Рис. 1. Зависимость мощности трения юбка поршня – гильза от смещения пальцевого отверстия в рас-чете на 1 поршень. Частота вращения n=5500 мин-1  Новые разработки в обязательном порядке про-ходит испытания на моторных стендах по стандарт-ным методикам ресурсных испытаний. На рис.3 представлены испытательные стенды, использую-щиеся при доводке поршней. В настоящее время в ОАО «АВТРАМАТ» раз-работаны, испытаны и производится ряд поршней, обладающих  техническими характеристиками, пре-восходящими прототипы (рис.4).  Рис. 2. Зависимость мощности трения юбка поршня – гильза массы поршня в расчете на 1 поршень. Частота вращения n=5500 мин-1 Испытания ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 134   а) с гидротормозом SHENK б) с электротормозом VSETIN Рис. 3.   ЗМЗ-406 (406.1004015Н) Ø92; 92,5; 93мм. Масса-431г  УМЗ-421(421.1004015М) Ø100;100,1;100,5;101мм. Масса – 545 г  ВАЗ-21213Н (21213.1004015Н) Ø82,0; 82,4; 82,8мм. Масса 322 г.  ВАЗ-2112Н (212.1004015Н) Ø82,0; 82,4; 82,8мм. Масса 312 г.  МеМЗ-307 (307.1004015Н) Ø75,0; 75,25; 75,5мм. Масса – 250 г  ВАЗ-2105Н Ø79,0; 79,4; 79,8мм. Масса 300 г.  ВАЗ-21083М Ø82,0; 82,4; 82,8мм. Масса 322 г.  ВАЗ-21118М Ø82,5мм. Масса 235 г. (поршень не испытан в двигателе) Рис.4. Новые поршни ОАО «АВТРАМАТ». Масса соответствует номинальному размеру  Таблица 2. Двига-тель Масса, г (новый/ старый, %снижения) Момент, Нм (новый/ старый, %повышения) Мощность, кВт (новый/ старый, %повышения) ЗМЗ-406 431/455 5 190/188 1,1 97,2/96,6 0,6 ВАЗ-2105 300/375 20 96,8/94,1 2,9 53/50,7 4,5 ВАЗ-21083 322/345 7 108,8/106,2 4,3 54,2/52,6 3,0 ВАЗ-21213 322/347 7,2 136/131 3,8 60/58 3,4 ВАЗ-2112 304/365 17 133/129 3,1 70,7/68,8 2,7 МеМЗ-307 250/285 12 108,1/106,5 1,5 49,6/49,0 1,2 По результатам испытаний получено стабиль-ное снижение механических потерь, приведенное в таблице 2.  Выводы: Анализ таблицы 2 показывает, что применение поршней новых конструкций для всех участников процесса может быть целесообразным: для произво-дителя снижение материалоемкости; для первичного Технология производства ДВС ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2005 135 потребителя – улучшение экологических параметров двигателя (СО2 и вибрации); для вторичного рынка – повышение момента и мощности.         УДК 621. 43.001.4 А.М. Левтеров, канд. техн. наук, А.В. Белогуб, канд. техн. наук  КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОРШНЯ БЫСТРОХОДНОГО АВТОМОБИЛЬНОГО ДВИГАТЕЛЯ  За последние годы заметно сократились инно-вационные циклы в автомобильной промышленно-сти и можно предположить, что при растущей слож-ности изделий и требований к ним отрасль ждет драматическое будущее. Ответом на такой вызов времени может стать сокращение затрат на развитие. Учитывая, что основу эксплуатируемого автомо-бильного парка Украины составляют автомобили с моторами моделей 30–50-летней давности, уже ос-нащенных модернизированными системами питания, зажигания, регулирования, а создание двигателей новых современных конструкций для экономики Украины в настоящее время нереально, целесообраз-но пойти по пути технически и экономически дос-тупного углубления модернизации двигателей, заме-няя элементы его конструкции на более совершен-ные.  В частности, одним из главных функциональ-ных элементов двигателя, определяющих показатели его экономичности, надежности и токсичности, яв-ляется цилиндропоршневая группа. Статья предлагает результаты оценки качества проектирования модернизированного на ОАО “Ав-трамат” поршня 21083–М двигателя ВАЗ(4Ч 82/71), полученного при совместных исследованиях с отде-лом поршневых энергоустановок ИПМаш НАН Ук-раины. Конструктивная модернизация базового порш-ня двигателя ВАЗ– 2108 выполнена по критериям, обеспечивающим технологичность изготовления, функциональность, экономичность и уменьшение массы. Вот перечень конструктивных изменений и их следствие: – отсутствует термовставка, возможное умень-шение жесткости и ухудшение структуры темпера-турного поля компенсируется использованием более прочного алюминиевого сплава АЛ–25; – уменьшена высота поршня на 5,5мм и состав-ляет 60,4мм; – оптимизирован профиль юбки, благодаря че-му обеспечено нормальное распределение и уровень контактных давлений в паре стенка цилиндра – юбка поршня; – использована оригинальная литейная оснаст-ка, образующая геометрию внутренней поверхности поршня, обеспечивающую лучшее его охлаждение и оптимальную структуру температурного поля; – бобышки с отверстиями под поршневой палец выполнены с двойным углом наклона, что обеспечи-

http://repository.kpi.kharkov.ua/bitstream/KhPI-Press/712/1/DVS_2005_1_Belogub_Progressivnye%20resheniya.PDF

Прогрессивные решения при проектировании и производстве поршней для автомобильных двигателей

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

Прогрессивные решения при проектировании и производстве поршней для автомобильных двигателей

Abstract

Similar works

Full text

Available Versions

Library of National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute"

Electronic National Technical University &quot;Kharkiv Polytechnic Institute&quot; Institutional Repository (eNTUKhPIIR)

Electronic National Technical University "Kharkiv Polytechnic Institute" Institutional Repository (eNTUKhPIIR)