Grupul piston

Grupul piston este alcatuit din: piston, bolt si segmenti (fig. 1).

Figura 1

Acesta are rolul de a inchide camera de ardere in partea sa inferioara. Etansarea camerei de ardere se face atat in ceea ce priveste scaparea fluidului de lucru spre carter cat si patrunderea uleiului in exces dinspre carter.

1 Segmentii

1.1. Constructia segmentilor

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. 2).

Figura 2

Forma constructiva a segmentilor este cea de inel taiat.

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).

Figura 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 unul din flancurile canalului pentru segmenti F_c practicat in piston (fig 4).

Figura 4

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.

Figura 5

In figura 6 sunt prezentate unele variante constructive pentru segmentii de compresie.

Figura 6

Scaparile normale de gaze spre carter au doua cauze principale:

existenta rosturilor

intreruperea contactului cu flancurile canalului din piston

. 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

Figura 7

Segmentii de ungere sunt impartiti in doua clase:

- segmenti cu sectiunea unitara, sau neperforati (fig. 8a)

- segmenti perforati (fig. 8b)

Figura 8

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.

In figura 9 sunt prezentate unele variante constructive pentru segmentii de ungere cu elasticitate proprie. Cei din figura 9 a si 9b sunt cu neperforati, iar celelalte trei variante sunt segmenti perforati.

Figura 9

Segmentii neperforati cu umar, drepti (fig. 9a) sau inclinati (fig. 9b), 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. 9c) racleaza puternic pelicula de ulei in exces deoarece presiunea pe marginile segmentului este mare din cauza suprafetei reduse de contact.

Combinatiile uzuale de segmenti pentru motoare de autoturisme sunt prezentate in figura 10 (a pentru m.a.s. si b pentru m.a.c.).

Figura 10

In ceea ce priveste m.a.c. pentru autoturisme o posibila combinatie este:

- segmentul de foc este dreptunghiular, 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. 11).

Figura 11

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.

1.2. Calculul segmentilor

Prin calculul segmentilor se urmareste:

- determinarea dimensiunilor de baza ale segmentului (fig. 12):

- grosimea radiala a;

- inaltimea segmentului h;

Figura 12

- determinarea formei libere a segmentului, care prin montarea in cilindru sa asigure distributia dorita a presiunii elastice pe periferia segmentului;

- verificarea segmentilor la montaj - tensiunea maxima de incovoiere la desfacerea segmentului pentru montaj nu trebuie sa depaseasca o valoare admisibila;

- verificarea jocului intre capetele libere ale segmentului pentru a se impiedica contactul in timpul functionarii;

- stabilirea jocurilor in canalul practicat in piston.

Figura 13

Momentul maxim se obtine pentru .

Tensiunea admisibila s_a se adopta din figura 20, functie de diametrul interior al cilindrului D.

Figura 20

Inaltimea h a segmentului se poate alege din intervalul:

h=1 3 mm pentru segmenti de compresie;

h= 2,5 4 mm pentru segmenti de ungere;

A.     Momentul de incovoiere intr-o sectiune oarecare

Datorita actiuni presiunii elastice,fiecare sectiune a segmentului este solicitata de un moment incovoietor astfel incat tensiunile interne care apar,mentin segmentul in stare de echilibru.

Se defineste parametrul constructiv al segmentului:

Rostul in stare libera va fi:

Cu schema de incarcare tensiunea maxima de incovoiere in sectiunea opusa rostului este:

      [MPa]

Se observa ca in al doilea caz tensiunea de incovoiere este de doua ori mai mica decat in primul caz.

B Verificarea segmentului la dilatare

In urma montarii segmentului in cilindru rostul in stare libera se micsoreaza si ajunge la valoarea de montaj s_m. Normele DIN impun ca rostul la cald sa fie s_c=0,2 0,7 mm. Valorile mici sunt pentru alezaje mici.

Jocul la cald este:

unde: - α_s [grd^-1] - coeficientul de dilatare liniara a materialului segementului (fonta)

α_s=(10 12)^.10^-6 [grd^-1] pentru fonta

t_s [⁰C] - temperatura segmentului in timpul functionarii motorului,

.

unde: - α_c [grd^-1] - coeficientul de dilatare liniara a materialului cilindrului.

t_c [⁰C] - temperatura cilindrului in timpul functionarii motorului

pentru fonta

C.Jocurile segmentului in canalul din piston

Jocul axial are valori recomandate

j_a=0,02 0,05 mm pentru m.a.s., cu valori mai mari pentru segmentul de foc deoarece temperatura sa este mai mare in timpul functionarii;

j_a=0,02 0,05 mm pentru m.a.c., cu valoare in jur de 0,1 mm pentru segmentul de foc si 0,03 mm segmentul de ungere;

j_r=0,4 0,7 mm pentru segmentii de compresie, cu valori mai mici pentru alezaje mici;

j_r=0,9 1,3 mm pentru segmentii de ungere, cu valori mai mici pentru alezaje mici;

D.Numarul de segmenti

Pentru a reduce inaltimea si masa pistonului solutia generala pentru motoarele de autovehicule este cu doi segmenti de compresie si un segment de ungere.

2. Boltul

2.1. Constructia boltului

Boltul face legatura dintre piston si biela, transmitand forta de presiune a gazelor preluata de capul pistonului spre biela.

Boltul se sprijina la capete pe umerii din piston, iar in partea centrala este situata biela. Montajul boltului este posibil in trei variante:

- bolt fix in biela si liber in locasurile din piston - solutie numita cu bolt fix;

- bolt liber in biela si in locasurile din piston - solutie numita cu bolt flotant;

- bolt liber in biela si fix in locasurile din piston;

In varianta cu bolt flotant exista posibilitatea unei deplasari axiale a boltului, Pentru a preveni contactul cu cilindrul, miscarea axiala a boltului este limitata prin montarea unor inele de siguranta in locasurile din piston (fig. 21).

Eseu: Reguli privind depozitarea materialelor si substantelor combustibile Referat: Caiet de sarcini pentru demolare

Figura 21

Materialele utilizate la fabricarea bolturilor sunt otelurile de scule. La bolturile fabricate din marcile 17Cr3 sau 16MnCr15 suprafata exterioara se cementeaza. In functie de grosimea miezului, rezistenta la repere este

σ_r=700 . 1500 Mpa pentru 17Cr3

σ_r=850 . 1350 Mpa pentru 16MnCr5.

2.2. Calculul boltului

Montajul schematic al boltului este prezentat in figura 22.

unde: - l_b [mm] - lungimea de sprijin a boltului in biela;

- l_p =20 [mm] - lungimea de sprijin a boltului in locasul pistonului

- l =74 [mm] - lungimea boltului

- j_b =(1 . 1,5)=1,2[mm] - jocul intre biela si umerii pistonului

Se recomanda urmatoarele valori:

Lungimea boltului [mm]

bolt flotant    l= (0,8 . 0,87)^.D pentru m.a.s. si m.a.c.

bolt fix          l= (0,6 . 0,93)^.D pentru m.a.s. si m.a.c.

l_b - lungimea de sprijin in biela [mm]

bolt flotant    l_b= (0,3 . 0,4)^.D pentru m.a.s.

l_b= (0,32 . 0,42)^.D pentru m.a.c.

Diametrul exterior al boltului:

-d_eb= (0.34 . 0.4)^.D=0,35*106=37 [mm]

Diametrul interior al boltului

- d_ib =[mm] -

j_b= 1 . 1.5 mm

l_p=   

a pentru m.a.c. transport marfa

Figura 22

A.Verificarea la presiunea de contact:

Pentru verificarea boltului la presiune de contact se considera ca forta F care incarca boltul este concentrata (fig. 23).

Figura 28

Se considera ca forta F care actioneaza asupra boltului este data de forta maxima de presiune F_pmax din care se scade forta maxima de inertie data de masa pistonului si masa segmentilor F_TP1 (atunci cand pistonul incepe cursa dinspre p.m.i. spre p.m.e., vezi fig. 29).

Figura 29

F= (p [N]

unde: - p =6,2 [MPa] - presiunea maxima din cilindru

- D=106 [mm] - alezajul

F (m_p+m_s)^.r )=   [N]

F=(p_max-0.1)* m_gp [N]

Suprafata portanta in piciorul bielei este:

S

Presiunea in piciorul bielei este:

[MPa]

- presiunea admisibila in piciorul bielei:

Suprafata portanta in locasurile din piston este:

S

Presiunea de contact in locasurile din piston este:

[MPa]

- presiunea admisibila in locasurile din piston:

Diametrul minim al boltului:

Se poate stabili diametrul exterior minim al boltului cu relatia:

d [mm]

B. Verificarea la incovoiere

Pentru stabilirea momentului incovoietor se utilizeaza schema de incarcare din figura 30a. iar diagramele pentru forta taietoare si momentul incovoietor sunt prezentate in figura 30b, respectiv figura 25c.

Figura 25

Din figura 25c se observa ca valoarea maxima a momentului incovoietor este in sectiunea mediana.

Tensiunea maxima de incovoiere este:        

= [Mpa]

=120 . 150 [Mpa]- pentru otel carbon

=   [MPa]

C. Verificarea la oboseala produsa prin solicitarea la incovoiere

In cazul boltului flotant acesta executa in timpul functionarii o rotatie completa in jurul axei sale si de aceea ciclul de incarcare este unul simetric (fig. 26.).

Figura 26

Pentru ciclul simetric se calculeaza coeficientul de siguranta la solicitarea de incovoiere cu formula:

             

unde: - reprezinta rezistenta la oboseala pentru ciclul simetric

=(0.4 . 0.52) [MPa]

- rezistenta la rupere a materialului boltului

= 700 . 1500 MPa pentru otel aliat

= 500 . 750 MPa pentru otel carbon

=

Pentru ciclul simetric:

=

- - coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor.

Deoarece in cazul boltului nu exista concentratori de tensiuni:

=1

- - factorul dimensional reprezinta raportul dintre rezistenta la oboseala a epruvetei cu diametrul oarecare si cea a epruvetei tip cu diametrul de 10 mm (se adopta din fig. 27).

Figura 27

1 - otel carbon fara concentratori de tensiune;

2 - otel aliat fara concentratori de tensiune si otel carbon cu concentratori moderati;

3 - otel aliat cu concentratori moderati;

4 - otel aliat cu concentratori puternici;

- coeficient de calitate a suprafetei (din fig. 28)

Figura 28

Curbele din figura 28 sunt pentru:

1 - epruveta lustruita cu rugozitatea medie a suprafetei 0 . 1 mm;

2 - suprafata slefuita cu rugozitatea medie 2 . 5 mm;

3 - suprafata finisata prin strunjire cu rugozitatea medie 6 mm;

4 - suprafata rezultata prin strunjire de degrosare cu rugozitatea medie 10 40 mm;

5 - piese cu concentrator inelar de tensiune;

6 - suprafata laminata, cu crusta;

7 - suprafata corodata in apa dulce;

8 - suprafata corodata in apa sarata;

Coeficientul admisibil pentru solicitarea la oboseala prin incovoiere:

c2 . 4

D. Verificarea la forfecare

= [MPa]

Valorile admisibile ale tensiunii de forfecare

= 70 . 100 MPa pentru otel aliat

- tensiunea in fibra exterioara a sectiunii c-c (punctul 4):

- tensiunea in fibra interioara a sectiunii c-c (punctul 3):

- tensiunea in fibra exterioara a sectiunii n-n (punctul 2):

- tensiunea in fibra exterioara a sectiunii n-n (punctul 1):

E. Determinarea jocului la montaj in umerii mantalei

Este important sa se stabileasca valoarea jocului la montaj D intre bolt si locasuri, astfel incat in timpul functionarii sa rezulte jocul la cald D' impus.

Se adopta D' valoarea jocului la montaj necesara, care trebuie sa se incadreze in urmatoarele intervale (tab. 1)

Tabelul 1

- t_b, t_p [⁰C] - temperatura boltului, respectiv a pistonului, in timpul functionarii

t_b≈150 ⁰C

t_p=150 200 ⁰C

- t₀ [⁰C] - temperatura de montaj (temperatura mediului ambiant)

t₀=15 20 ⁰C

D'-jocul la cald

D'=(0,001 . 0,005)d=0,002*37=0,07

Temperatura minima la care trebuie incalzit pistonul pentru a permite montajul manual:

[⁰C]

Pentru a fi posibila manipularea pistonului incalzit, se impune ca:

t_m 80 120 ⁰C

F.Calculul deformatiei maxime de ovalizare

Deformatia maxima de ovalizare d_bmax trebuie sa fie de doua ori mai mica decat docul diametral la cald in locasul din piston D', pentru a preveni gripajul:

d_bmax<0,5^*D

Deformatia maxima de ovalizare este:

[mm]

unde: -K-se ia din figura 30

-E=2,1*10 [MPa]-modulul de elasticitate pentru materialul boltului -l [mm]-lungimea boltului

Pistonul

1. Constructia pistonului

Pistonul indeplineste urmatoarele functii:

- capul pistonului preia forta de presiune dezvoltata prin arderea amestecului aer-combustibil si o transmite bielei, care la randul ei o transmite mai departe arborelui cotit, prin intermediul boltului;

- ghideaza piciorul bielei in interiorul cilindrului

- etanseaza camera de ardere, prevenind scaparea fluidului de lucru spre carter si patrunderea uleiului in exces din carter spre camera de ardere

Constructia generala a pistonului este prezentata in figura 31.

Figura 31

Materialele utilizate la fabricarea pistoanelor sunt:

- aliajele de aluminiu:

- otel

2. Calculul pistonului

Dupa ce sunt cunoscute dimensiunile constructive ale segmentilor si boltului si numarul de segmenti se pot adopta, pe baza datelor statistice, dimensiunile constructive principale ale pistonului (fig. 32)

Figura 32

Semnificatia notatiilor din figura 32 si valori recomandate pentru acestea sunt date in tabelul 2.

Tabelul 2

A. Verificarea grosimii g a capului pistonului

Capul pistonului se considera a fi o placa circulara, de grosime constanta g si cu diametrul egal diametrul inerior al pistonului D_ip (vezi fig. 32), incastrata pe contur.

D_ip=D-(4 6)^*a=106-5*4,7=82,5 [mm]

unde: - a [mm] - grosimea radiala a segmentului (vezi subcapitolul 1)

Figura 33

Tensiunea maxima se inregistreaza la marginea discului si se determina cu relatia:

[MPa]

unde: - p₀ [MPa] - presiunea din carter (egala cu presiunea atmosferica

p₀≈0,1 [MPa]

Tensiunea dezvoltata intr-o placa circulara prin solicitare termica este:

=a^.E^.α^.Δt=0,25*85000*21*10*60=20,77 [MPa]

unde: - Δt=t_c-t_e =260-200=60 [⁰C]

t_c [⁰C] - temperatura in centrul capului

t_r [⁰C] - temperatura la margini

Distributia campului de temperaturi pe directie radiala aeste prezentata in figura 34.

a=0,25 daca t_c>t_e

a=0,25 daca t_c<t_e

Figura 34

- E [MPa] - modulul de elasticitate pentru materialul pistonului

E=(0,8 0,9)^.10⁵ =0,85*10=85000 [MPa] pentru aliaje de aluminiu

- α [grd^-1] - coeficientul de dilatare termica liniara pentru materialul pistonului

α=(20 22)^.10^-6 =10*10 grd^-1 pentru aliaje de aluminiu.

Tensiunea totala la marginile capului va fi:

[MPa]

Valoarea admisibila se determina cu relatia:

[MPa]

unde: - _r [MPa] - rezistenta la rupere a materialului

_r=180 240=210 MPa

- c_r - coeficientul de siguranta la rupere

c_r=3

B. Verificarea regiunii portsegmenti

Calculul de verificare se desfasoara in sectiunea A-A care este slabita prin existenta orificiilor pentru evacuarea uleiului. Numarul si dimensiunile orificiilor pentru evacuarea uleiului se stabilesc in functie de debitul de ulei raclat de pe oglinda cilindrului.

Tensiunea maxima in regiunea portsegmenti este:

[MPa]

unde: - A_A-A [mm²] - aria sectiunii A-A (vezi fig. 47)

[mm²]

a [mm] - grosimea radiala a segmentului

i_g =10- numarul orificiilor pentru evacuarea uleiului

d_g =1[mm] - diametrul unui orificiu

C. Verificarea mantalei la presiune de contact

Dimensiunea b_N (fig. 35) reprezinta latimea suprafetei portante, iar lungimea mantalei L_m reprezinta lungimea acestei suprafete.

Figura 35

Presiunea de contact este raportul dintre forta si suprafata portanta:

[MPa]

unde:-Lm=(0,8 . 1,2)D=0,9*106=95,4                        

Valoarea N_max se ia din coloana pentru forta N din tabelul de forte al studiului dinamic pentru mecanismul biela-manivela.

D. Determinarea diametrului capului pistonului, respectiv al mantalei

Capul se dilata mai mult deoarece lucreaza la temperaturi mai mari si alungirea relativa este mai mare prin faptul ca in zona capului este mai mult material.

Diametrul capului la montaj este:

[mm]

unde: - α_c, α_p [grd^-1] - coeficientul de dilatare liniara pentru materialul cilindrului, respectiv cel al materialului pistonului

α_f=10,7^.10^-6 grd^-1 pentru fonta

Pentru aliajele de aluminiu coeficientul de dilatare liniara a fost adoptat la calculul capului.

- t_c, t_p, t₀ [⁰C] - temperatura cilindrului, temperatura pistonului, respectiv temperatura atmosferica

t_c=100 120=110 ⁰C

t_p=180 220=200 ⁰C

t₀=15 20=20 ⁰C

- Δ'_c [mm] - jocul la cald in zona capului

Δ'_c=(3 4)^*10^-3*D =5*10*106=0,53 [mm] pentru m.a.c.

Diametrul mantalei la montaj este:

[mm]

- Δ'_mt [mm] - jocul la cald in zona mantalei

Δ'_mt=(0,9 1,3)^*10^-3*D =1,1*10*106=0,11 [mm] pentru m.a.c.