CONSTRUCTIA SI CALCULUL SEGMENTILOR

In acest capitol se prezinta diverse solutii constructive ale segmentilor si elemente de calcul ale acestora. De asemenea, sunt prezentate unele principii care stau la baza proiectarii segmentilor.

Constructia segmentilor

Segmentii au rolul de a realiza etan[area camerei de ardere, de a uniformiza pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului si de a transmite cilindrului o parte din caldura preluata de piston de la gazele fierbinti. Segmentii care impiedica scaparea gazelor din cilindru in carterul motorului se numesc segmenti de compresie iar segmentii care distribuie uniform si elimina excesul de ulei de pe suprafata cilindrului se numesc segmenti de ungere.

Solutiile care se adopta la proiectarea segmentului trebuie sa tina seama de cerintele impuse de siguranta in functionare, durabilitate, eficienta etansarii si pretul de cost.

Eficienta etansarii realizate de segment depinde de presiunea medie elastica p_e aplicata de acesta pe oglinda cilindrului in corelatie cu presiunea gazelor din spatele segmentului. Elasticitatea segmentului se opune tendintei de intrerupere a contactului provocata de deformarile de montaj si termice, de uzura suferita de cilindru. Segmentul exercita presiunea p_e pe oglinda cilindrului numai daca este liber in canal, pentru a putea urmari deformatiile cilindrului.

La motoarele de turatie ridicata datorita presiunii radiale mici a gazelor si vibratiei trebuie sa se asigure segmentului presiuni medii elastice marite.

Marirea presiunii medii elastice a segmentilor diminueaza pulsatia acestora si mareste coeficientul de transfer de caldura spre camasa cilindrului. Valori prea ridicate ale presiunii pot provoca uzuri importante ale segmentului si camasii.

La proiectarea segmentului trebuie sa se adopte o grosime radiala de valoare redusa pentru a micsora masa acestuia. Daca nu se pot utiliza materiale cu calitati elastice superioare, se vor adopta segmenti cu grosimi radiale marite, ceea ce faciliteaza evacuarea caldurii de la pistoane la cilindri si elimina vibratiile radiale. Marirea grosimii radiale conduce la cresterea tensiunilor de incovoiere in sectiune, de aceea se impune utilizarea unor materiale cu rezistenta admisibila la incovoiere ridicata.

Adoptarea grosimii axiale a segmentului trebuie sa tina seama de o serie de factori. Astfel, pentru a realiza a buna racire a pistonului, segmentul trebuie sa aiba o grosime axiala    cat mai mare. La motoarele de turatie ridicata cresterea grosimii axiale determina cresterea zonei portsegmenti a pistonului, cu efecte negative asupra masei inertiale ale acestuia, in plus creste si masa segmentului si acesta intra usor in pulsatie si vibratie.

De aceea se recomanda reducerea grosimii axiale a segmentului odata cu cresterea turatiei motorului (fig. 9.1.).

Pana la un alezaj de 90 mm se recomanda functie de turatia motorului a trei clase de segmenti cu grosimi axiale b= 1,5; 2,0; 2,5 mm. Pentru alezaje cuprinse intre 90.200 [mm] se confectioneaza segmenti cu grosimi axiale b= 2.4 [mm].

Alegerea numarului de segmenti ai pistonului trebuie sa tina seama de urmatoarele considerente: un numar mare de segmenti nu imbunatateste etansarea, ci mareste numai inaltimea pistonului cu efecte negative asupra masei acestuia; un numar prea mic de segmenti nu realizeaza siguranta in functionare.

Numarul de segmenti poate fi marit cand se urmareste reducerea nivelului termic al pistonului.

Rolul principal in etansarea camerei de ardere o are primul segment (fig. 9.2.), ceilalti segmenti avand o eficienta mai redusa. Se apreciaza ca se realizeaza o etansare optima daca presiunea gazelor dupa ultimul segement este de 3.4% din presiunea gazelor din camera de ardere, iar volumul de gaze scapate spre carter este cuprins intre 0,2.1,0% din volumul incarcaturii proaspete admise in cilindrul motorului.

La motoarele cu aprindere prin scanteie este suficient un singur segment de ungere care se plaseaza la partea inferioara a regiunii portsegment, asemenea solutie se aplica si la motoarele cu aprindere prin comprimare de turatie ridicata. In cazul M.A.C. de cilindree mare deoarece jocul intre piston si cilindru este mare, se folosesc doi segmenti de ungere, dintre care unul la partea inferioara a mantalei.

In ceea ce priveste forma constructiva in prezent exista o mare varietate de tipuri (fig. 9.3). Segmentul cel mai simplu este cel cu sectiunea dreptunghiulara (P01). Muchiile ascutite ale segmentului curata pelicula de ulei, iar perioada de rodaj este mare deoarece segmentul se aplica pe camasa cilindrului cu toata grosimea axiala. Primul dezavantaj se inlatura prin racordarea muchiilor segmentului; al doilea dezavantaj se inlatura dezvoltand o presiune specifica mai mare pe suprafata laterala. In acest scop se micsoreaza inaltimea de reazem a segmentului pe cilindru. Pentru a reduce inaltimea segmentului o prima solutie consta in inclinarea suprafetei laterale cu un unghi de 25'.45' (T01.B73). In acelasi scop se prevede pe suprafata laterala o portiune cilindrica de 0,4.0,8 [mm] si una inclinata cu 2.10^o (P22, P23, P24, T23, T24). Deschiderea unghiului este indreptata totdeauna spre chiulasa pentru a reduce consumul de ulei. Pentru a se asigura o buna curatire a uleiului se realizeaza segmenti cu degajari de (0,25.0,30)b pe suprafata laterala (P20, P21, P23, P24, T20, T23, T24).

Realizand tesirea ambelor muchii ale segmentului se reduce inaltimea de reazem si se creeaza efectul de pana la deplasarea segmentului in ambele sensuri; forma optima fiind data de segmentul bombat (B01.B73). Segmen]ii cu sectiune nesimetrica (P10, P11, P12, P30, P32, P60, T10, T11, T30, B10, B11, B12) se numesc segmenti de torsiune sau de rasucire.

O solutie eficienta contra blocarii segmentului in canal o constituie segmentul trapezoidal realizat prin inclinarea fetelor cu 5.10⁰ (fig. 9.4.) (P31, T31, B31).

Durabilitatea segmentilor se mareste daca suprafata laterala se acopera cu un strat protector de crom. In acelasi scop se prevad canale pe suprafata laterala in care se introduc insertii de cositor, bronz sau oxid de fier cu grafit, insertii care depasesc suprafata segmentului cu 0,05.0,10 [mm] si au dimensiunile in sectiune de 0,5 x 0,6 mm. Pentru a mari rezistenta la solicitari mecanice segmentii se pot executa din doua sau trei piese (P60.P65). Marirea presiunii elastice exercitate de segment pe oglinda cilindrului, se poate realiza prin utilizarea si la segmentii de compresie a unor expandori (P81, P82).

Segmentii de ungere se clasifica in: segmenti cu sectiune unitara sau neperforati si segmenti cu sectiune perforata. Segmentul neperforat evacueaza o cantitate mai mica de ulei, segmentii se perforeaza cand este necesar sa se evacueze o cantitate sporita de ulei. La segmentii neperforati, suprafata de reazem pe oglinda cilindrului se micsoreaza prin prelucrare conica sau tesirea muchiilor (020, 023, 030043, 051, 052, 061063, 070) la care se adauga degajarea pentru raclarea energica (020024, 031, 050073). La segmentii perforati inaltimea de reazem se micsoreaza prin practicarea unor degajari si reducerea adecvata a suprafetei de reazem. La acesti segmenti presiunea elastica are valori cuprinse intre 0,14.0,70 [N/mm²].

Ca segmenti de ungere se folosesc si segmentii cu expandor (050.082). Expandorul este un element elastic care se monteaza in spatele segmentului in canal. Expandorul contribuie la sporirea si uniformizarea presiunii elastice aplicate de segment pe oglinda cilindrului (p_e = 0,55.1,10 [N/mm²] expandor arc spiral).

Principalele perticularitati constructive sunt prezentate in figura 9.5.

Materialul pentru segmenti trebuie sa posede urmatoarele proprietati: 1) calitati bune de alunecare; 2) duritate ridicata; 3) rezistenta la coroziune; 4) rezistenta mecanica ridicata la temperaturi ridicate; 5) modul de elasticitate superior la temperaturi mari; 6) calitati bune de adaptabilitate la forma cilindrului.

Fonta cenusie constituie materialul care realizeaza un bun compromis intre aceste cerinte. Se utilizeaza fonta cenusie cu grafit lamelar.

In unele cazuri cand este necesara o rezistenta mecanica ridicata se utilizeaza otelul.

Aplicarea pe segment a unor straturi superficiale dure mareste rezistenta la uzare, cromarea poroasa reduce uzura segmentului de 2.5 ori, si se aplica in general segmentului de foc.

La proiectare se va tine seama de recomandarile din figura 9.6 si tabelele 9.1.9.3.

t - grosimea radiala a segmentului;

d_1s - diametrul interior al segmentului;

d_1c - diametrul canalului de segment;

D_cil - alezajul cilindrului;

b - grosimea axiala a segmentului;

h_c - inaltimea canalului de segment;

t_c - dimensiunea radiala a canalului;

R - raza fundului canalului;

J_a - jocul pe flancurile segmentului (J_a = h_c-b);

J_P - jocul piston-cilindru;

J_r - jocul radial al segmentului; J_r =1/2(d_is-d_ic)

Tabelul 9.1.

Inaltimea canalului de segment (h_c)

Tabelul 9.2

Jocul pe flancurile segmentului j_a si jocul radial j_r [mm]

Tabelul 9.3.

Inaltimea capului de piston pana la primul segment

Calculul segmentilor

Calculul segmentului urmareste urmatoarele obiective:

Sa se stabileasca forma in stare libera si marimea fantei astfel incat prin strangere pe cilindru segmentul sa dezvolte o repartitie de presiune determinata;

Sa se stabileasca cele doua dimensiuni de baza ale segmentului, t si b;

Sa se verifice ca tensiunile care apar in segment la deschiderea lui pentru montaj sa nu depaseasca limita admisibila;

Sa verifice fanta la cald pentru a preveni unirea capetelor in timpul functionarii.

Distribuirea presiunii radiale

Pentru stabilirea formei segmentului in stare libera se pleaca de la acceptarea unei epure de presiune variabila (fig. 9.7). Curba de repartitie a presiunii dezvoltate de elasticitatea proprie a segmentului se exprima print-o serie trigonometrica de forma:

(9.1)

Termenul initial (p_o) reprezinta presiunea medie pe care o dezvolta segmentul si este partea constanta a presiunii, restul expresiei fiind corectia ei.

In aceste conditii expresia generala a curbei devine:

(9.2)

Daca numarul armonicilor pentru care se dezvolta calculul relatiei convergente (9.2) este n=2, distributia de presiune reprezinta o variatie lina (fig. 9.8)

Curba ce se obtine se caracterizeaza prin raportul

Alegandu-se se obtine urmatoarea expresie pentru curba de repartitie a presiunii:

(9.3)

Calculul profilului segmentului in stare libera

La calculul formei libere a segmentului se urmareste deplasarea relativa din pozitia de montaj in cea destinsa, a unui punct de fibra medie.

Deplasarea relativa a unui punct N(R,y) (fig. 9.9) fata de pozitia N_o(R_o,y_o) se compune din deplasarea radiala u si deplasarea unghiulara e definita prin relatiile:

(9.4)

Ecuatia diferentiala a deplasarii radiale este urmatoarea:

(9.5)

Pentru calculul deplasarii se calculeaza momentul incovoietor intr-o sectiune M_y

Momentul elementar produs intr-o sectiune y de o forta elementara dF_j este:

(9.6)

unde:    - distanta de la bratul fortei la punctul N_o din sectiunea considerata (fig. 9.10.a)

Deoarece:   

rezulta:

(9.7)

Forta elementara intr-o sectiune y (fig. 9.10.a) in fibra medie a segmentului poate fi exprimata prin relatia:

(9.8)

unde:    b - grosimea axiala a segmentului.

Deoarece forta in fibra exterioara

(9.9)

trebuie sa fie egala cu cea din fibra medie, rezulta:

(9.10)

Deci:

(9.11)

Pentru calcule se defineste un parametru constructiv:

(9.12)

unde:    t - grosimea radiala a segmentului.

Astfel, se poate scrie expresia momentului produs in sectiunea y de suma tuturor fortelor din dreapta sectiunii:

(9.13)

Pentru curba de presiune descrisa de ecuatia (9.3) se obtine urmatoarea expresie pentru momentul M_y

(9.14)

iar pentru cazul general:

(9.15)

Daca se substituie relatia (9.15) in ecuatia diferentiala a deplasarii date de relatia (9.5), se obtine:

(9.16)

Inlocuind:

(9.17)

Se obtine ecuatia:

(9.18)

Ecuatia (9.18) este neomogena si se rezolva cu urmatoarele conditii limita pentru segmentul montat:

- sectiunea A-A (fig. 9.10.b) fiind pe axa de simetrie nu poate efectua deplasari unghiulare, y=0 si du/dy

- deplasarea radiala a segmentului dupa axa X-X (fig. 9.10.a) este aceeasi la cele doua extremitati, adica   

In aceste conditii se obtine urmatoarea expresie generala a deplasarii radiale:

(9.19)

Deplasarea radiala pentru segmentul cu distributia presiunii dupa o curba simpla este:

(9.20)

Lungimea fibrei medii a segmentului este aceiasi in stare libera si in stare montata:

(9.21)

sau

(9.22)

Neglijand termenii mici de ordinul doi, rezulta

(9.23)

Deplasarea unghiulara a segmentului de presiune variabila se obtine rezolvand ecuatia (9.23).

(9.24)

Deplasarea unghiulara pentru segmentul cu distributia presiunii dupa o curba lina este:

(9.25)

Deplasarea unghiulara a capetelor e_p in stare libera se obtine pentru y p

(9.26)

Distanta dintre capete, masurata pe fibra medie in stare libera este:

(9.27)

Substituind pe e_p din relatia (9.26) in (9.27) si neglijand u_p rezulta:

(9.28)

Introducand in expresia lui S (9.28) valoarea explicita a termenului K, se obtine:

(9.29)

Tabelul 9.4.

Valoarea rapoartelor p_i/p_e pentru diverse epure ale presiunii elastice

In tabelul 9.4. se dau valorile rapoartelor pentru segmentii cu distributie variabila (fig. 9.11.a.b.c.) pentru calculul deplasarilor unghiulare si radiale.

Coordonatele u si e fiind cunoscute se traseaza profilul segementului in stare libera

(9.30)

Calculul grosimii radiale a segmentului

Grosimea axiala a segmentului se determina din conditiile de evacuare a caldurii din piston si de a limita pulsatiile

[mm] (9.31)

unde    k=0,08 - constanta;

p_gmax- presiunea maxima din cilindru [N/mm²];

s_a - tensiunea admisibila (55.65 [N/mm²]).

Grosimea radiala se calculeaza din formula lui Navier:

[N/mm²] (9.32)

unde:    M - momentul incovoietor maxim al segmentului [N/m];

W - modul de rezistenta al sectiunii [m³].

Momentul maxim se calculeaza pentru y = 0

(9.33)

Inlocuind in relatia (9.33) presiunea obtinuta din relatia (9.29) rezulta:

(9.34)

Inlocuind in relatia lui Navier, si avand in vedere ca I=W_t/2 iar

se obtine:

(9.35)

La proiectarea unui segment se impune valoarea presiunii medii elastice (p_e) in raport cu conditiile lui de functionare, aceasta se calculeaza din relatia (9.29)

(9.36)

Cum momentul de inertie este I= bt³/12 substituind 'c' din relatia (9.16) si pe R_o din relatia R_o =f(D₁,t), rezulta:

(9.37)

Introducand in relatia (9.35) in locul tensiunii maxime tensiunea admisibila si impartind relatia (9.35) cu (9.37), se obtine:

(9.38)

Raportul D₁/t reprezinta un factor constructiv de baza al segmentului.

Calculul tensiunilor in segment la montaj

Pentru montajul segmentului pe piston este necesar ca prin intermediul unui dispozitiv capetele acestuia sa fie desfacute atat cat este necesar pentru a imbraca pistonul. Prin desfacerea segmentului apar tensiuni care au valoarea maxima in sectiunea opusa fortei.

Tensiunea maxima se determina cu urmatoarea relatie de calcul:

(9.39)

unde:    m - constanta care depinde de varianta dispozitivului care desface segmentul:

m=1,00 pentru fig. 9.12.a;

m=1,57 pentru fig. 9.12.b si

m=2,00 pentru fig. 9.12.c.

s_a=230 [N/mm²]

Calculul fantei segmentului

Fanta la rece dintre capetele segmentului se determina din conditia ca fanta la cald sa aiba valoarea optima.

Lungimea segmentului la rece este:

(9.40)

la cald lungimea va fi:

(9.41)

Cum diametrul cilindrului are la cald valoarea data de expresia:

(9.42)

rezulta ca:

(9.43)

unde:    s_c - fanta la cald.

Rezulta:

(9.44)

Fanta la cald se stabileste in functie de alezaj si de tipul motorului.

La proiectare pentru motoarele racite cu apa se adopta s_c = (0,0015.0,0030)D, iar pentru motoarele racite cu aer s_c =(0,0025.0,0040)D [mm].