Constructia si calculul pistonului

Constructia si calculul pistonului

1. Rol, componenta, conditii functionale

Grupul piston este alcatuit din trei organe: pistonul, boltul si segmentii. Pistonul asigura evolutia fluidului motor in cilindru si indeplineste urmatoarele functiuni:

transmite bielei forta de presiune a gazelor;

transmite cilindrului reactiunea normala produsa de biela;

etanseaza cilindrul in ambele sensuri respectiv impiedica scaparea gazelor in carter si patrunderea uleiului in camera de ardere;

evacueaza o parte din caldura dezvoltata prin ardera combustibilului;

este un organ de pompare la motoarele in patru timpi

este un organ de distributie si, in unele cazuri, de pompa pentru baleiaj la motoarele in doi timpi

Pistonul se compune din urmatoarele parti: capul - partea superioara a pistonului care preia presiunea gazelor, regiunea portsegmenti - partea pistonului prevazuta cu canale in care se introduc segmentii, mantaua - partea care ghideaza pistonul in cilindru si transmite forta normala si umerii mantalei - partea in care se fixeaza boltul.

Capul pistonului inchide spatiul cu volum variabil al camerei de ardere, iar forma lui depinde in mare masura de tipul motorului si al camerei de ardere.

La MAS cea mai larga utilizare o are capul de forma plata, deoarece suprafata de schimb de caldura este minima, iar fabricatia este simpla. Forma concava apropie camera de ardere de forma semisferica, dar in concavitate se acumuleaza uleiul care formeaza calamina. Forma bombata rezista mai bine deoarece presiunea gazelor produce eforturi unitare de compresiune dar are in schimb o suprafata mai mare de schimb de caldura, iar costul fabricatiei creste. Se utilizeaza la motorul in doi timpi si acel in patru timpi. Forma profilata, se utilizeaza la motorul M 036 (OLTCIT CLUB) are rezistenta mare, dar in special asigura o forma a camerei de ardere foarte apropiata de cea ideala, respectiv semisferica. In plus, creeaza un foarte eficient efect de prag, dar costul fabricatiei este ridicat.

Pentru a mari rigiditatea capului pistonului partea lui interioara se nervureaza; in prezent se utilizeaza nervuri numai in planul de oscilatie a bielei, care fac legatura cu umerii pistonului.

Mantaua pistonului trebuie sa aiba o lungime suficienta pentru a asigura un bun ghidaj, presiune laterale reduse si a limita bascularea. Nu trebuie insa a fi marita in mod exagerat pentru a nu mari inutil inaltimea motorului. Pentru a micsora temperatura mantalei, cu scopul de a reduce jocul dintre aceasta si cilindru, o solutie intalnita la pistoanele MAS-urilor, este mantaua elastica. Ea se obtine de obicei prin executarea unor taieturi oblice incomplecte - prevazuta la capat cu un orificiu care inlatura concentrarea tensiunilor, dar previne si rizarea locala a cilindrului. Taierea mantalei se face imediat dupa canalul pentru segmentul de ungere. Acest procedeu permite obtinerea asa numitei mantale elastice pentru care se pot realiza jocuri la montaj (la rece) de 0,0240,036 mm. La cald taietura preia dilatarile. Taierea mantalei se face pe partea opusa celei care preia forta normala maxima.

O alta solutie o constituie pistonul autotermic utilizat la MAS intens solicitat (autobuze si autocamioane). O varianta constructiva consta in incorporarea in piston in dreptul umerilor mantalei a unor placute de invar (un otel cu un continut de 36% Ni si 64% Fe avand coeficient de dilatare a 10 1/C adica aproximativ de 30 de ori mai mic decat al aluminiului). Astfel invarul impiedica pur si simplu dilatarea din cauza coeficientului redus. A doua varianta, mai des utilizata astazi, consta in fixarea pe periferia materialuluii de piston, in dreptul bosajelor, a unor placute din otel de calitate care lucreaza impreuna cu aliajul de Al a-l pistonului ca o lama bimetalica supusa incalzirii. Placuta de otel franeaza dilatarea Am, iar sistemul se curbeaza in directia evacuarii pentru a satisface conditia de dilatare. Placutele de otel au in plus rolul de a mari rigiditatea mantalei si a umerilor acesteia.

Umerii pistonului reprezinta niste aglomerari de material in care se practica alezajul pentru bolt. Pentru a obtine o rigiditate cat mai mare a pistonului, alezajul pentru bolt se plaseaza la o distanta cat mai mica fata de capul acestuia. In timpul functionarii forta de frecare produce un moment de basculare in apropierea p.m.i . Momentul de basculare este pozitiv cand pistonul urca si negativ cand el coboara. Pentru a atenua efectul de basculare la motoarele moderne se dezaxeaza axul alezajului pentru bolt cu marimea e=( 0,014.. 0.025)D in sensul fortei normale, pentru cursa de destindere. In acest fel momentul de basculare nu isi schimba semnul in jurul p.m.i., dar are valori mai mari. La motoarele cu biele scurte, dezaxarea este atat mai eficienta cu cat oblicitatea bielei este mai mare, intrucat creste reactiunea normala. Daca dezaxarea se alege rational, se obtine o distributie mai uniforma a solicitarilor laterale, reducerea bataii si marirea durabilitatii pistolului.

Conditii de functionare. Datorita dilatarii termice a fortei de presiune a gazelor si a reactiunii N a cilindrului asupra pistonului, pistonul se deformeaza eliptic, in plan transversal, cu axa mare paralela cu axa boltului. Pentru a compensa aceasta deformare pistonul se confectioneaza de forma eliptica cu axa elipsei perpendiculara pe axa boltului.

In ceea ce priveste temperatura capului si mantalei se face precizarea ca datorita repartizarii neuniforme a materialului are loc si o repartizare neuniforma a temperaturii in diferite zone ale pistonului. In orice caz pe lungimea pistonului, temperatura descreste spre partea inferioara a mantalei.

Ca urmare a incalzirii neuniforme si dilatarea pistonului va fi neuniforma

Deformatiile mai mari apar in regiunea portsegmenti si in dreptul umerilor pistonului. Pentru a preveni griparea sau blocarea pistonului in cilindru, din cauza dilatarilor chiar la regim nominal, se pastreaza intre cele doua organe un joc, numit joc la cald. La fiecare orizont al pistonului dilatarea fiind diferita, jocul la montaj (jocul la rece), corespunzator va fi diferit. Pentru asigurarea acestor jocuri, pistoanele si cilindrii se sorteaza pe grupe de dimensiuni.

Profilul longitudinal al pistonului, pentru a realiza variatia dimensiunilor la diferite orizonturi, in scopul evitarii griparii sau blocarii pistonului, se poate obtine in diferite variante:

Varianta I - conic cilindric se aplica la pistoanele cu mantaua rece si cu placute de otel.

Varianta II - dublu conic - pistonul se monteaza cu joc redus, dar se prelucreaza greu (cu masini de copiere).

Varianta III - reprezinta o solutie simplificata a variantei precedente: pistonul este confectionat cilindric, in trepte, ceea ce permite prelucrarea pe masini simple de strunjire

Varianta IV- partial cilindrica, partial tronconica, in trepte.

2. Alegerea materialului

La ora actuala se utilizeaza pentru constructia pistonului de automobil doar aliaje pe baza de aluminiu, care satisfac in cel mai inalt grad cerintele impuse pistoanelor si anume: rezistenta ridicata la temperaturi inalte si sarcini variabile: masa redusa; buna conductibilitate termica; dilatare liniara redusa; rezistenta ridicata la uzura abraziva, adeziva, coroziva si la oboseala; usurinta de turnare sau matritare; usurinta de prelucrare prin aschiere; pret redus.

Aliajele se impart in doua grupe principale:

1. Aliaje pe baza de siliciu, numite silumini;

2. Aliaje pe baza de cupru, numite duraluminiu.

Aliajul silumin este la randul lui de 3 feluri:

a) hipoeutectic cu Si < 11,7%

b) eutectic cu  11,7% < Si < 13,5%

c) hipereutectic cu  13,5% < Si < 25%.

Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus, calitati bune de antifrictiune, durititate ridicata la temperaturi mari, densitate mica ( 2,65 kg/dm ), in schimb antreneaza o uzare mai rapida a sculei aschietoare, din cauza continutului ridicat de Si si determina reducerea coeficientului de conductibilitate termica, ceea ce impune confectionarea pistonului cu peretii grosi.

Aliajele eutectice elimina dezavantajele de mai sus, ca urmare a micsorarii procentului de Si, drept pentru care au capatat o mai larga raspandire la MAS.

Aliajele pe baza de cupru au un continut de cupru de 8 12 %. Cuprul este principalul element de durificare a aliajului si mareste totodata conductibilitatea termica.

Pistoanele din aliaje de aluminiu se supun tratamentelor termice (calire, imbatranire, sau ambele), care le ridica duritatea si rezistenta mecanica.

In Romania materialele pentru pistoanele de aluminiu sunt standardizate in STAS 201/2-80.

3. Alegerea dimensiunilor caracteristice

Dimensiunile principale ale pistonului se adopta dupa date statistice.

Lungimea pistonului si diametrul umerilor mantalei se stabilesc in corelatie cu dimensiunile boltului.

Dimensiunile sunt reprezentate in fig.5.4.

D - diametrul cilindrului D = 146 mm;

D_S - diametrul canalelor de segmenti de etansare si de foc D_S = 176 mm;

D_C - diametrul interior al capului cilindrului D_C = 120 mm;

D_SU - diametrul canalului segmentului de ungere D_SU = 132 mm;

d - diametrul boltului d = 30 mm;

d_u diametrul umarului de sprijin al boltuilui d_u = 49 mm;

B distanta dintre umar si axul pistonului B = 56 mm;

H₁ distanta dintre capul pistonului si primul segment H₁ = 17 mm;

H grosimea segmentilor H = 2 mm;

H₂ grosimea peretilor dintre segmenti H₂ = 7 mm

L lungimea pistonului L = 173 mm;

L' lungimea de axul boltului la partea inferioara a pistonului L' = 76,12 mm;

D_m diametrul mantalei pistonului D_m = 143 mm;

d grosimea capului pistonului d = 21 mm

4. Calculele de rezistenta ale pistonului

Calculele de rezistenta ale pistonului constau in:

verificarea capului pistonului solicitat de presiunea maxima a gazelor din cilindru si de variatia de temperatura;

verificarea regiunii port segmenti, solicitata la compresiune de presiunea maxima a gazelor din cilindru;

verificarea presiunii specifice pe manta;

verificarea umerilor pistonului la forfecare.

a) Verificarea capului pistonului

Pentru determinarea tensiunii datorate presiunii maxime din cilindru, se schematizeaza capul pistonului sub forma unei placi circulare incastrate pe conturul dat de diametrul interior al capului D_C, cu o grosime constanta d, incarcata cu o sarcina uniform distribuita ( fig.5.6.).

Intr-o astfel de placa apar tensiuni normale radiale s_r pe suprafetele obtinute prin sectionare cu cilindrii concentrici cu placa si tensiuni normale circumferentiale s_j pe suprafetele obtinute prin sectionare cu plane ce contin axa placii.

Aceste tensiuni se calculeaza cu urmatoarele relatii:

s _r =