Учитывая условия работы, к поршням предъявляются такие требования:
а) прочность и жесткость при минимально возможной массе;
б) обеспечение герметичности внутри цилиндрового пространства двигателя;
в) небольшие потери на трение;
г) минимальное проникновение масла из картера в цилиндр;
д) невосприимчивость к нагреву, но хороший отвод теплоты.

Поршень (рис. 1) имеет днище, уплотняющую часть с поршневыми кольцами и направляющую часть (юбку). Примерно в средней части поршня (в зоне юбки) имеются бобышки с отверстиями для поршневого пальца и его стопорных колец.

Материалом для изготовления поршней служат алюминиевые и магниевые сплавы, серый, легированный и ковкий чугун, а также сталь. Иногда поршни изготовляют не из одного, а одновременно из нескольких материалов, например алюминиевые поршни с залитыми вставками из чугуна, стали или инвара (сплав, содержащий 36% никеля, с малым коэффициентом расширения). Заливка в зону канавки верхнего кольца вставки из чугуна или малоуглеродистой стали уменьшает износ канавки; пластинки из стали или инвара, залитые поперек бобышек, увеличивают жесткость поршня; стальная вставка, залитая в юбку алюминиевого поршня, оказывает терморегулирующее действие: зазор между поршнем и цилиндром почти не изменяется на всех режимах работы двигателя.

Поршень, соприкасаясь в процессе работы с горячими газами и, как правило, не имея принудительного охлаждения, сильно нагревается: днище до 200…400 РС, юбка до 100….. 150 °С. Вследствие разной степени нагрева и расширения поршня и цилиндра (имеет принудительное охлаждение) зазор между ними изменяется от максимального при запуске холодного двигателя до минимального при работе горячего двигателя с полной нагрузкой.

Для нормальной работы двигателя между поршнем и цилиндром должен быть минимальный зазор (0,1…0,3 мм), однако при этом должно обеспечиваться свободное движение поршня в цилиндре и наличие масляной пленки для уменьшения трения и лучшего уплотнения в сопряжении поршень — цилиндр.

Чтобы исключить так называемое заклинивание (остановку) поршня в цилиндре при работе двигателя, поршни делают конусными по высоте, эллиптического сечения, с неравномерным распределением массы металла в стенках.

Конусность поршня по длине юбки и по высоте головки делают для избежания заклинивания поршня при расширении его наиболее нагретой верхней части.

Эллиптическая форма юбки (рис. 2) с большей осью в направлении действия нормальной силы N, прижимающей поршень к цилиндру, обеспечивает работу поршня в непрогретом двигателе без стуков и перекосов. По мере прогрева двигателя расширение поршня наиболее интенсивно происходит вдоль оси поршневого пальца, где сосредоточена значительная масса металла в виде бобышек. При этом поперечное сечение поршня из эллиптического приближается к круговому.

Поршень с эллиптической формой юбки передает боковое усилие N на цилиндр только поверхностями, ограничиваемыми секторами а (90…100°). Части поверхности юбки в секторах (имея ограниченный контакт с цилиндром, мало нагружены и имеют пониженное на 40…50% трение с зеркалом цилиндра. Иногда юбка в этих секторах в зоне бобышек имеет специальные углубления — холодильники, уменьшающие расширение поршня вдоль оси поршневого пальца.

На многих карбюраторных и дизельных двигателях юбка поршня со стороны бобышек имеет вырез для прохода противовесов коленчатого вала. Вырезы также облегчают поршень, однако не снижают его прочности в плоскости действия нормальной силы N.

Днище поршня может быть вогнутым, плоским, выпуклым или фасонным.

Плоские днища (рис. 3, а) просты в технологическом отношении, имеют наименьшую площадь соприкосновения с горячими газами, вследствие чего воспринимают наименьшее количество теплоты.

Вогнутые днища (рис. 3, б) придают камере сгорания форму, близкую к наивыгоднейшей сферической, однако способствуют повышенному нагарообразованию и вследствие этого в карбюраторных двигателях почти не применяются.

Выпуклые днища (рис. 3, е) применяют в основном в пусковых карбюраторных двухтактных двигателях. Они сводят к минимуму нагарообразование (масло стекает с выпуклого днища) и способствуют разделению потоков свежего заряда и отработавших газов при продувке.

Фасонные днища особенно широко применяют в дизельных двигателях. На рисунке 3, г. показаны днища с частью камеры сгорания (неглубокая сферическая выемка) или с почти полной камерой сгорания (рис. 3, д). Форма фасонного днища зависит от способа смесеобразования в дизеле, расположения клапанов и форсунки.

Вогнутые, выпуклые и фасонные камеры сгорания имеют увеличенную площадь контакта с горячими газами и воспринимают повышенное количество теплоты, что снижает эффективность использования теплоты в двигателе и повышает тепловую напряженность работы поршней. Внутренняя поверхность днища для усиления нередко имеет ребра.

На некоторых тракторных дизелях на боковой поверхности поршня от днища до поршневых колец, а иногда и на всей уплотняющей части поршня делают неглубокие (0,3 мм) кольцевые канавки, в которых скапливаются продукты сгорания и износа (рис. 4). Поршни отдельных карбюраторных двигателей имеют на цилиндрической поверхности головки глубокие кольцевые канавки, служащие тепловым экраном, ограничивающим нагрев поршневых колец /.

Уплотняющая часть поршня состоит из ряда кольцевых канавок, в которые устанавливают кольца для уплотнения и кольца для съема излишков масла с зеркала цилиндра.

Кольцевые канавки под маслоеъемные кольца могут размещаться или на уплотняющей части поршня, или на уплотняющей части и на юбке. Они имеют сквозные радиальные сверления для отвода масла внутрь поршня и далее в поддон картера. Аналогичные сточные сверления имеются и в неглубоких кольцевых канавках, расположенных на юбке поршня.

Бобышки представляют собой массивные приливы на внутренней поверхности юбки поршня. Они имеют сквозные цилиндрические отверстия для размещения поршневого пальца и деталей его крепления в поршне. Ось бобышек, как правило, пересекается с осью поршня, однако в отдельных случаях она смещается относительно оси поршня, что уменьшает нагрузку на поршень в момент перехода в. м. т.

Поршневые кольца подразделяются на компрессионные и маслосъемные. Их изготовляют из легированного чугуна или стали.

Компрессионные кольца предназначены для уплотнения поршня в цилиндре с целью тщательной изоляции полости камеры сгорания.

Маслосъемные кольца предназначены для съема с зеркала цилиндра и отвода в картер излишков масла, препятствуя тем самым попаданию масла в камеру сгорания. Кроме того, поршневые кольца участвуют в отводе теплоты от поршня к цилиндру.

Для установки колец в канавки поршня их делают разрезными. Разрезы поршневых колец называют замками. По конструкции чаще всего они бывают прямыми, реже косыми или ступенчатыми (рис. 5).

Работа поршневых колец протекает в весьма тяжелых условиях. Так, верхнее компрессионное кольцо подвергается воздействию температуры порядка 250…350 °С и почти полному давлению газов в камере сгорания (0,75 Р). Кроме того, оно работает практически без смазки.

Чем дальше поршневое кольцо отстоит от головки поршня, тем меньше оно испытывает воздействие высоких температур и давлений и тем лучше смазывается его трущаяся поверхность.

Поршневое кольцо работает надежно, если оно плотно прилегает к зеркалу цилиндра всей своей рабочей поверхностью. Это условие соблюдается при вполне определенном распределений давлений упругости по его окружности. На рисунке 17 показана эпюра давлений компрессионного кольца. По мере износа такого кольца наблюдается изменение первоначального распределения давления с наибольшим падением давления у замка. Это может привести к отрыву концов кольца от стенок цилиндра и резко увеличить прорыв газов.

Компрессионные кольца уплотняют поршень в цилиндре путем надежного прилегания их к зеркалу цилиндра и — создания лабиринта, состоящего из торцевых и радиальных зазоров между кольцами и кольцевыми канавками поршня.

На рисунке 5, а показана схема прохождения газов через лабиринт, создаваемый поршневыми кольцами и канавками. Прижатие колец к зеркалу цилиндра происходит как за счет упругости самого кольца (в свободном состоянии его диаметр больше диаметра цилиндра), так и за счет давления газов, находящихся в лабиринте.

Кольца прямоугольного сечения просты в изготовлении. Фаска или выточка на внутренней поверхности кольца прямоугольного сечения дает ему возможность слегка скручиваться при установке в цилиндр и прижиматься к зеркалу цилиндра только нижней частью рабочей поверхности. Такое кольцо быстрее прорабатывается к цилиндру и имеет лучший контакт с ним. Аналогичным свойством обладают и конусные кольца.

В некоторых случаях для улучшения приработки компрессионные кольца изготовляют с вставками из олова или бронзы (рис. 7, е).

В последнее время начинают применять стальные витые компрессионные кольца тарельчатой формы (рис. 8). Их изготовляют из стальной ленты методом холодной навивки и устанавливают в канавках поршня по три-четыре штуки. Основной недостаток таких колец — слабый отвод теплоты от нагретого поршня вследствие малой площади контакта колец с зеркалом цилиндра. Поэтому стальные компрессионные кольца не применяют в качестве верхних компрессионных колец.

Чугунные маслосъемные кольца отличаются от стальных компрессионных колец большей высотой. Кроме того, они, как правило, имеют на цилиндрической рабочей поверхности кольцевую проточку с круглыми отверстиями или продолговатыми щелями, через которые масло отводится к каналам в поршне и далее в картер (рис. 9, а и б).

Однако маслосъемные кольца могут и не иметь выточек и отверстий. Рабочая поверхность таких колец цилиндрическая с фаской вверху (в) или коническая (г). Отвод снятого с зеркала цилиндра масла здесь осуществляется через горизонтальные или наклонные каналы в поршне, расположенные ниже маслосъемного кольца. Такие кольца просты в изготовлении и хорошо распределяют масло по зеркалу цилиндра.

В настоящее время находят применение и маслосъемные кольца скребкового типа (рис. 9, д). Главное их достоинство технологичность изготовления.

Стальные маслосъемные кольца составные (рис. 9, е). Они состоят из двух дисковых колец, распираемых двумя расширителями: осевым и радиальным.

Материал поршневых колец должен обладать достаточной прочностью и хорошей упругостью в условиях высоких температур, иметь высокую износоустойчивость, не превышающую, однако, износоустойчивость цилиндра. Повышение упругости поршневых колец иногда достигается установкой в поршневые канавки специальных пружинящих расширителей. Для повышения износоустойчивости рабочую поверхность поршневых колец покрывают слоем хрома толщиной 0,10… 0,15 мм. При этом примерно треть толщины этого слоя снаружи представляет собой пористый хром, хорошо удерживающий смазку в порах.

Улучшение приработки поршня и колец достигается электролитическим покрытием их рабочей поверхности легко истираемым материалом, например оловом или др.

Поршневые палец предназначен для шарнирного соединения поршня с шатуном. Он изготовляется из стали и представляет собой трубчатую деталь с цилиндрической наружной поверхностью (рис. 10). Внутренняя поверхность поршневого пальца цилиндрическая или коническо-цилиндрическая. Поршневые пальцы двухтактных двигателей имеют перегородку внутреннего канала для предотвращения прорыва горючей смеси из кривошипной камеры в выпускной канал (ПД-10М) или стальные пластинчатые заглушки в бобышках для предохранения проникновения смазочного масла в продувочные окна цилиндра.

Рабочую наружную поверхность поршневого пальца подвергают цементации или поверхностной закалке с последующей шлифовкой и полировкой.

Поршневой палец своими концами опирается на бобышки поршня, а его средняя часть проходит через цилиндрическую расточку верхней части (головки) шатуна.

В процессе работы двигателя поршневой палец во избежание задиров зеркала цилиндра не должен выходить из бобышек поршня. Для этого длину пальца делают несколько меньше диаметра поршня и ограничивают осевые перемещения пальца специальными устройствами.

В зависимости от способа ограничения осевых перемещений различают поршневые пальцы с креплением в верхней головке шатуна и плавающие поршневые пальцы.

Наибольшее распространение на двигателях получили плавающие поршневые пальцы. Во время работы они свободно проворачиваются как в бобышках, так и в головке шатуна. Благодаря этому относительная скорость перемещения трущихся поверхностей снижается, вследствие чего уменьшается износ.

Ограничение осевых перемещений плавающего пальца достигается следующими способами (рис. 10): торцевыми стопорными кольцами, устанавливаемыми в канавки бобышек (а), торцевыми заглушками, вставляемыми в бобышки (б), и стопорным кольцом в верхней головке шатуна (в).