Segmentii

Segmentii

1. Constructia segmentilor:

Segmentii au rolul de impiedica scaparile de fluid de lucru din camera de ardere spre carter si patrunderea uleiului in exces in camera de ardere.

Etansarea la fluidul de lucru este facuta prin intermediul segmentilor de compresie, iar segmentii de ungere previn patrunderea uleiului in exces in camera de ardere (fig. 3.2).

Figura 3.2

Forma constructiva a segmentilor este cea de inel taiat.

In stare libera segmentii au o forma ovala (fig. 3.3a), iar dupa montaj vor avea o forma circulara cu diametrul exterior egal cu cel al alezajului cilindrului (fig. 3.3b).

Distanta dintre marginile fantei, masurata pe fibra medie, se numeste rost. Rostul in stare libera s₀ este mai mare decat rostul de montaj s_m (fig. 3.3).

Figura 3.3

Pentru a-si indeplini functia de etansare suprafata exterioara S_e a segmentului trebuie sa fie permanent in contact cu oglinda cilindrului si una din suprafetele laterale S_l cu flancul canalului pentru segmenti F_c practicat in piston (fig 3.4).

Figura 3.4

Aplicarea suprafetei laterale S_l pe oglinda cilindrului se face sub actiunea fortei de elasticitate proprii a segmentului F_E. Forta elastica F_E aplica segmentul pe oglinda cilindrului cu presiunea elastica p_E.

Initial, segmentii au fost fabricati cu o distributie de presiune elastica constanta pe periferia acestora. Segmentii de presiune constanta se pot utiliza la m.a.c. unde viteza media a pistonului este mai mica decat la m.a.s., dar functioneaza la presiuni mult mai mari ale fluidului de lucru. Semifabricatul este de forma rotunda, de aceea acestia poarta denumirea de segmenti rotunzi. Semifabricatul se taie la dimensiunea rostului de montaj s_m si se deschide pe dispozitive speciale pana cand rostul ajunge la valoarea formei libere s₀ (fig. 3.5). In urma unui tratament termic de detensionare, segmentul de presiune constanta ramane la forma in stare libera.

Figura 3.5

S-a constatat experimental ca uzura este mai accentuata in zona din vecinatatea rosturilor. Pentru a compensa efectele uzurii si a mentine contactul dintre suprafata laterala a segmentului S_l si oglinda cilindrului, au fost fabricati segmentii cu o distributie variabila a presiunii elastice.

Presiunea elastica este mai mare in zona din vecinatatea rostului. In figura 3.6 sunt prezentate unele variante distributie a presiunii elastice pe periferia segmentului.

Variatia presiunii elastice in variantele prezentate in figura 3.6a, 3.6b si 3.6 c este destul de brusca in vecinatatea rostului si, de aceea, este preferabila distributia de presiune din figura 3.6d.

Figura 3.6

Distributia dorita a presiunii elastice pe periferia segmentului se realizeaza prin forma segmentului in stare libera. Segmentii cu disributie variabila a presiunii elastice sunt fabricati prin copiere pe masini de strunjit si au o forma ovala, de aceea se mai numesc segmenti nerotunzi sau segmenti ovali.

Figura 3.7

Actiunea elasticitatii proprii a segmentului are loc numai daca segmentul este liber in canal. Din acest motiv segmentii se monteaza in canalele din piston atat cu un joc radial j_r cat si cu unul axial j_a (vezi fig. 3.4).

In sectiune transversala segmentii au o forma dreptunghiulara, dimensiunile principale fiind grosimea radiala a si inaltimea segmentului h (fig. 3.7).

Forma constructiva a segmentilor de compresie este diferita fata de cea a segmentilor de ungere. Primul segment, care intra in contact direct cu gazele de ardere, se numeste si segment de foc.

In figura 3.8 sunt prezentate unele variante constructive pentru segmentii de compresie.

Figura 3.8

Forma dreptunghiulara din fig. 3.8a este simpla, dar are dezavantajul ca datorita muchiilor ascutite uleiul este puternic raclat de pe oglinda cilindrului ceea ce inrautateste conditiile de ungere in special in cursa pistonului spre p.m.i.. Contactul dintre suprafata laterala a segmentului si oglinda cilindrului se face pe intreaga inaltime h, din care cauza perioada de rodaj este mai mare. Acest tip de segment se poate utiliza pentru conditii normale de functionare a motorului.

Pentru a micsora inaltimea de contact dintre segment si cilindru se poate utiliza varianta cu segment inclinat (fig. 3.8b). Astfel se reduce perioada de rodaj. Datorita actiunii puternice de raclaj a peliculei de ulei in cursa spre p.m.e. este eficient in controlul consumului de ulei. Unghiul de inclinare este de 25' 45'.

Segmentul dublu trapezoidal din fig. 3.8c limiteaza formarea depunerilor de cenusa si produsi de ardere pe flancuri. Acest tip de segment se utilizeaza numai la m.a.c.. Ca o varianta apare segmentul simplu trapezoidal (fig. 3.8d), cu muchia interioara inclinata in partea superioara a segmentului. Si aceasta varianta constructiva se utilizeaza mai ales la m.a.c. deoarece limiteaza formarea de depuneri.

Variantele constructive cu tesitura interioara (fig. 3.8e) si cu canal interior (fig. 3.8f) sunt similare. Atat tesitura cat si canalul sunt ampasate in partea superioara a segmentului. La montaj aceste tipuri de segmenti se deformeaza asfel incat suprafata exteriora devine conica, ca in cazul segmentilor inclinati (fig. 3.8b). Si acesti segmeti au un puternic efect de raclare a peliculei de ulei.

Segmentul cu tesire interioara sau cu canal interior la partea inferioara se numeste si segment de torsiune negativa datorita modului in care se deformeaza la montaj din cauza variatiei sectiunii transversale.

In fig. 3.8 h este prezentat segmentul de compresie in forma de L.. Acesta se utilizeaza la motoarele mici in doi timpi.

Cea mai avantajoasa varianta din punct de vedere al realizarii conditiilor formarii unei pelicule de ulei intre segment si cilindru este cea din fig. 3.8i cu segment bombat. Forma bombata a muchiei exterioare creeaza efectul de pana necesar relizarii peliculei de ulei.

S-a constatat experimental ca pentru etansarea la scaparile de gaze din cilindru sunt suficienti doi segmenti de compresie, solutie adoptata de majoritate constructorilor de autovehicule.

Segmentii se comporta ca un sistem de labirinti. Gazele patrunse in spatele segmentilor (intre suprafata interioara a segmentilor si fundul canalului din piston) au posibilitatea de a se destinde. O scadere a presiunii acestor gaze se realizeaza si prin efectul de laminare la trecerea prin sectiunile ingustate ale sistemului de segmenti.

Scaparile normale de gaze spre carter au doua cauze principale:

- existenta rosturilor

Dupa montaj, rostul segmentului are valoarea s_m. In timpul functionarii, datorita cresterii temperaturii (in special pentru segmentul de foc), segmentul de dilata si rostul cald s_c va fi mai mic decat cel la montaj. Daca in timpul functionarii muchiile rostului intra in contact, diametrul exterior al segmentului poate deveni mai mare decat diametrul alezajului si segmentul se impaneaza in cilindru producand gripajul. De aceea este absolut necesar ca si in functionare sa existe un rost la cald. Pentru a limita scaparile de gaze, montajul se face astfel incat rosturile sistemului de segmenti al unui piston sa nu fie aliniate.

- intreruperea contactului cu flancurile canalului din piston

Asupra segmentului actioneaza sistemul de forte din figura 3.9. Aceste forte se grupeaza dupa doua directii: una axiala si una radiala.

Figura 3.9

Rezultanta pe directie radiala:

R_cil=F_E+F_r

unde: - R_cil [N] - reactiunea cilindrului

- F_E [N] - forta de elasticitate proprie a segmentului

- F_r [N] - forta de presiune a gazelor ajunse in spatele segmentului

Rezultanta pe directie axiala este suma algebrica:

F_a=F_a1+F_a2+F_f+F_i+G

unde: - F_a1 [N] - forta de presiune a gazelor situate deasupra segmentului (p₁)

- F_a2 [N] - forta de presiune a gazelor situate sub segment (p₂)

- F_f [N] - forta de frecare datorita contactului dintre segment si cilindru

- F_i [N] - forta de inertie a segmentului

- G [N] - forta de greutate a segmentului

Daca rezultanta pe directie radiala mentine permanent contactul dintre segment si cilindru (cu valoare mai mare in timpul cursei de destindere, atunci cand presiunea din cilindru este maxima), rezultanta pe directie axiala isi poate schimba sensul. In general, segmentul este mentinut pe flancul inferior. La inceputul cursei se admisie presiunea din cilindru este minima (forta F_a1 va avea o valoare minima), pistonul se deplaseaza spre p.m.i. (forta de frecare F_f este orientata spre p.m.i.) si, ca urmare, rezultanta F_a va fi orientata spre p.m.i.. Acest lucru face ca segmentul sa se deplaseze de pe flancul inferior pe flancul superior, iar contactul dintre segment si flancurile canalului din piston se intrerupe ceea ce face posibila scaparea de gaze (fig. 3.10).

Figura 3.10

Segmentii de ungere sunt impartiti in doua clase:

- segmenti cu sectiunea unitara, sau neperforati (fig. 3.11a)

- segmenti perforati (fig. 3.11b)

Figura 3.11

In timpul functionarii, atunci cand pistonul se deplaseaza spre p.m.i., datorita fenomenului de barbotare (imprastierea uleiului ca urmare a patrunderii coturilor arborelui cotit in uleiul din carterul inferior) uleiul ajunge pe oglinda cilindrului unde formeaza o pelicula relativ groasa.

Segmentii de ungere sunt plasati in partea inferioara a regiunii portsegmenti (vezi constructia pistonului) si au rolul de a indeparta uleiul in exces de pe oglinda cilindrului in timpul cursei pistonului spre p.m.e., lasand in urma un film de ulei suficient pentru realizarea ungerii segmentilor superiori.

Uleiul ramas pe oglinda cilindrului in urma segmentilor, atunci cand pistonul se deplaseaza spre p.m.e., poate ajunge in camera de ardere unde este ars impreuna cu combustibilul. Din acest motiv, chiar si atunci cand segmentii sau cilindrul nu sunt uzati motorul va consuma ulei, care se pierde prin ardere.

Numarul si dimensiunile orificiilor pentru evacuare se stabilesc in functie de volumul uleiului in exces.

Segmentii de ungere sunt de doua tipuri:

- segmenti de ungere cu elasticitate proprie - sunt fabricati din fonta si se utilizeaza la motoarele rapide ca unic segment de ungere;

- segmenti de ungere cu element elastic, care la randul lor pot fi:

- din fonta - utilizati atat la m.a.s. cat si la m.a.c.

- din profile de otel - utilizati atat la m.a.s. cat si la m.a.c.

- din platbanda de otel - se utilizeaza la m.a.s.

In figura 3.12 sunt prezentate unele variante constructive pentru segmentii de ungere cu elasticitate proprie. Cei din figura 3.12 a si 3.12b sunt cu neperforati, iar celelalte trei variante sunt segmenti perforati.

Figura 3.12

Segmentii neperforati cu umar, drepti (fig. 3.12a) sau inclinati (fig. 2.12b), sunt de fapt segmenti de compresie cu proprietati de control al uleiului deoarece acestia racleaza puternic pelicula de ulei in exces de pe oglinda cilindrului.

Segmentii cu degajare (fig. 3.12c) racleaza puternic pelicula de ulei in exces deoarece presiunea pe marginile segmentului este mare din cauza suprafetei reduse de contact. Prin prelucrarea fantei se reduce inaltimea de contact si se creeaza o incinta in care se acumuleaza uleiul raclat, care apoi este evacuat prin orificiile radiale din segment si piston.

Prin tesirea opusa (fig. 3.12d) sau paralela (fig. 3.12e) a muchiilor segmentului se micsoreaza si mai mult suprafata de contact, marind astfel presiunea de contact dintre segment si cilindru.

Segmentii cu element elastic, sau cu expandor, (fig. 3.13) au o adaptabilitate mai buna a formei compensand astfel deformatiile cilindrului.

Figura 3.13

In figura 3.13a este prezentat un segment avand ca element elastic un arc lamelar, iar in figurile 3.13b, c,d si e elementul elastic este un arc spiral. Segmentii cu arc spiral au o foarte buna adaptabilitate la modificarile geometriei suprafetelor ca urmare a uzurii.

Segmentii din banda de otel (fig. 3.13f si g) sunt utilizati in special la m.a.s. pentru turisme. Ei sunt compunsi din doua benzi de otel si un arc lamelar care are si rol de distantier.

Forma suprafetei laterale influenteaza in mare masura formarea peliculei de ulei, astfel incat sa fie create conditiile instalarii unui regim hidrodinamic de ungere intre segment si cilindru.

Uzual, forma suprafetei laterale a segmentului este simetric bombata (fig. 3.14), asimetric bombata (fig. 3.14b) sau asimetric bombata cu optimizare (fig. 3.14c).

3.14

Foarte importanta este si forma muchiei inferioare a segmentului, deoarece o muchie ascutita poate racla prea puternic pelicula de ulei compromotand ungerea segmentilor superiori. O muchie inferiora prea rotunjita poate mari cantitatea de ulei care patrunde in camera de ardere (si implicit creste consumul de ulei).

Combinatiile uzuale de segmenti pentru motoare de autoturisme sunt prezentate in figura 3.15 (a pentru m.a.s. si b pentru m.a.c.).

Figura 3.15

O combinatie pentru m.a.s. (fig. 3.15a) poate cuprinde:

- un segment de foc din otel, cu suprafata laterala bombata simetric, avand inaltimea h₁=1,2 mm. Toate suprafetele segmentului sunt nitrurate.

- al doilea segment este unul cu umar, din fonta cenusie, si are inaltimea h₂=1,5 mm;

- segmentul de ungere este din benzi de otel cu suprafetele de contact cromate sau cu benzile si elementul elastic nitrurate pe toate suprafetele. Inaltimea h₃=3 mm.

In ceea ce priveste m.a.c. pentru autoturisme o posibila combinatie este (fig. 3.15b)

- segmentul de foc este dreptunghiulat, din fonta, cu inaltimea h₁=2,5 mm. Suprafata exterioara, acoperita cu un strat crom-ceramic, este bombata asimetric (bombajul deplasat spre suprafata inferioara).

- al doilea segment este unul inclinat, din fonta cenusie, cu inaltimea h₂=2 mm. Acest segment este supus unui tratament de durificare a suprafetelor.

- segmentul de ungere este cu element elastic (arc spiral) si are inaltimea h₃=3 mm. Suprafata de contact cu cilindrul este cromata.

La unele vehicule comerciale se poate utiliza varianta cu doi segmenti de compresie si doi segmenti de ungere. Al doilea segment de ungere este plasat in acest caz in partea inferioara a mantalei (fig. 3.16).

Figura 3.16

Conditiile pe care trebuie sa le indeplineasca materialul pentru segmenti sunt urmatoarele:

- proprietati bune antifrictiune pentru a micsora frecarea si a preveni gripajul;

- duritate mare a suprafetei laterale pentru a rezista la presiune de contact si a micsora uzura de tip adeziv si abraziv;

- rezistenta la corozinea provocata de contactul cu agentii chimici agresivi din gazele de ardere;

- pastrarea proprietatilor mecanice la temperaturi relativ mari;

- modul de elasticitate cu valori mari, invariabil in timp;

- adaptabilitate buna la modificarile de forma datorate pierderii de material in urma fenomenului de uzura;

- conductivitate termica mare pentru o mai buna evacuare a caldurii;

Aceste conditii sunt satisfacute in mare parte de fonta si otel.

Materialele utilizate pentru fabricarea segmentilor sunt:

- fonta:

- fonta cu grafit lamelar - are bune proprietati antifrictiune si antiuzura, in schimb duritatea (210-290 HB) si rezistenta la incovoiere (minimum 350 MPa) sunt relativ mici. Acest tip de material se utilizeaza numai pentru segmentul al doilea si pentru segmentul de ungere.

- fonta aliata, cu grafit lamelar, durificata - proprietatile fontei cu grafit lamelar sunt imbunatatite prin durificare. Rezistenta la incovoiere creste pana la 450-850 MPa si duritatea ajunge la 320-470 HB.

- fonta aliata, cu grafit nodular, durificata - are o foarte buna rezistenta la incovoiere (minimum 1300 MPa) si duritate mare (310-410 HB). Datorita bunei rezistente la incovoiere se utilizeaza pentru fabricarea segmentului de foc.

- otel - datorita rezistentei mari la rupere, se utilizeaza la fabricarea segmentilor pentru m.a.s. si m.a.c. cu o variatie brusca a presiunii din cilindru. Segmentii vor avea o inaltime mai mica, h 1,2 mm. Segmentii de ungere cu arc lamelar au atat benzile cat si arcul fabricate din otel. Tot din otel sunt si segmentii cu suprafata laterala profilata.

O solutie pentru reducerea uzurii in cupla cilindru-segment este acoperirea suprafetei laterale a segmentului cu un strat de material antiuzura. Totusi aceste straturi trebuie sa previna cresterea uzurii in vecinatatea p.m.i., mai ales la m.a.c.. Tipurile de acoperire utilizate la segmenti sunt:

- cromarea - aplicarea stratului de crom se face prin galvanizare. Suprafata astfel obtinuta are o buna rezistenta la uzura abraziva si corosiva si rezista mai bine la temperaturi inalte.

- acoperirea cu molibden - confera o foarte buna rezistenta la temperaturi inalte. Stratul de molibden se aplica pe suprafata laterala a segmentului prin pulverizare la temperaturi mari.

- acoperirea cu straturi metalo-ceramice - se face tot prin pulverizare la temperaturi extrem de mari. Stratul obtinut are proprietati antiuzura mai bune decat stratul de molibden si o rezistenta la temperaturi inalte mai buna decat stratul de crom.

- acoperirea cu strat crom-ceramica - proprietatile stratului de crom pot fi imbunatatite prin combinarea cu particule ceramice (oxizi de aluminiu). Sunt imbunatatite astfel proprietatile antiuzura si rezistenta la temperaturi mari. Acest tip de acoperire este utilizata mai ales la m.a.c..

- nitrurarea - este un tratament termochimic, aplicat in special segmentilor din otel, prin care in stratul superficial al suprafetei laterale patrund prin difuzie atomi de azot. Exista cazuri in care, pe langa atomii de azot, in stratul superficial sunt introdusi si atomi de carbon. Prin acest procedeu rezulta un strat superficial extrem de dur, cu excelente proprietati antiuzura. Nitrurarea se aplica la segmentii pentru m.a.s. cu inaltimi sub 1,2 mm, in locul cromarii.

Proprietatile antifrictiune si protectia anticorosiva se face prin aplicarea unor tratamente. In cazul segmentilor, tratamentele aplicate sunt fosfatarea, cositorirea sau cuprarea. Stratul de metal moale aplicat retine mai bune uleiul si acopera microdefectele suprafetei.