PISTONUL. ANALIZA FUNCTIONALA, PARTICULARITATI CONSTRUCTIVE, MATERIALE

Impreuna cu axul pistonului (boltul) si segmentii, pistonul formeaza grupul piston care asigura evolutia fluidului motor si indeplineste urmatoarele functiuni:

a)      transmite bielei (tijei pistonului) forta de presiune a gazelor;

b)      transmite cilindrului reactiunea normala produsa de biela (numai la motoarele fara cap de cruce);

c)      etanseaza cilindrul in doua sensuri: impiedica scaparea gazelor in carter si patrunderea uleiului in camera de ardere;

d)      evacueaza o parte din caldura dezvoltata prin arderea combustibilului.

Primele doua functiuni sunt indeplinite de piston impreuna cu boltul (la motoarele fara cap de cruce), iar celelalte doua impreuna cu segmentii. Pistonul mai indeplineste un numar de functii suplimentare, si anume: contine partial sau integral camera de ardere; creeaza o miscare dirijata a gazelor in cilindru; este un organ de pompare la motoarele in 4t; este un organ de distributie si, in unele cazuri, pompa de baleiaj la motoarele in 2t

2. CONSTRUCTIA PISTONULUI

Pistonul este compus din urmatoarele parti:

a)      capul pistonului - partea superioara (dinspre pmi) care preia presiunea gazelor;

b)      regiunea port segmenti - partea laterala a pistonului, prevazuta cu canale in care se introduc segmentii;

c)      mantaua pistonului - partea laterala inferioara a pistonului care ghideaza pistonul in cilindru si transmite forta normala (la motoarele fara cap de cruce);

d)      umerii pistonului - partea in care se sprijina Fig.2.1.

boltul;

Arhitectura capului pistonului depinde in mare de tipul camerei de ardere. La MAS, el are, de obicei forma unui disc plan (fig.2.2.a), deoarece in acest caz suprafata de schimb de caldura este minima, iar fabricatia este simpla. Forma concava (fig.2.2.b) apropie camera de ardere de forma semisferica, dar in cavitate se acumuleaza ulei care formeaza calamina. Forma bombata (fig.2.2.c) rezista mai bine, deoarece presiunea gazelor produce eforturi unitare de compresiune. In schimb, suprafata de schimb de caldura este mare si costul fabricatiei ridicat.

Fig.2.2

La MAC, forma capului pistonului se apropie de cea plana pentru motoarele cu camera de ardere impartita. In cazul camerelor de ardere unitare, capul are forma de cupa mai mult sau mai putin deschisa (fig.2.2.f,g si h).

La motoarele cu e mare, deoarece capul pistonului se apropie mult de chiulasa in pmi, apare pericolul impactului cu supapele de distributie. In acest caz, in capul pistonului se evazeaza locasuri in dreptul supapelor.

Pentru a mari rigiditatea capului pistonului, partea lui inferioara se nervureaza. La pistoanele pentru MAC, se urmareste in primul rand descarcarea termica a primului segment care are o tendinta mai activa de coxare decat in cazul MAS-urilor. In acest scop, pentru a impiedica orientarea fluxului de caldura numai catre primul segment, se racordeaza larg capul pistonului cu RPS (fig.2.3.a). O alta metoda consta in amplasarea canalului primului segment cat mai jos fata de capul pistonului, de obicei sub marginea lui inferioara (fig.2.3.b).

Deoarece materialul din dreptul primului segment isi pierde mai usor duritatea si suporta atacul agentilor corozivi, o solutie eficienta de protejare o constituie utilizarea unor insertii de metal, de forma unui inel cu canelura (fig.2.3.c) sau a unui disc inelar din otel (fig.2.3.d). Uneori, prin intermediul unui cilindru canelat la exterior, incorporat in RPS (fig.2.3.e) se protejeaza toate canalele de segmenti.

In anumite situatii, cand solicitarile termice ale capului pistonului sunt ridicate, insertia de metal se prevede si in capul pistonului, in dreptul jetului de flacara sau combustibil (fig.2.3.f si g). Insertia de metal, in cazul pistoanelor din Al, se confectioneaza din fonta cenusie, fonta speciala sau austenitica, avand coeficientul de dilatare apropiat de cel al aluminiului.

Arhitectura mantalei se realizeaza astfel incat sa se asigure o valoare limitata a presiunii specifice determinata de forta normala N. Aceasta solicitare determina in timpul functionarii o forma eliptica a mantalei. Deformarea poate fi contracarata prin confectionarea pistonului sub o forma eliptica, axa mare a elipsei fiind pe directia normala la axul boltului.

O alta solutie folosita in constructia mantalei (in special la MAS) o reprezinta asa numita manta elastica. In acest scop, se taie mantaua in lungul ei. La rece, mantaua se monteaza cu joc mic, iar la cald, taietura preia dilatarile termice. Se utilizeaza taieturi in forma de T sau de P, prevazute la capete cu un orificiu care inlatura concentrarea tensiunilor si previne rizarea locala a camasii de cilindru (fig.2.4).

Fig.2.3

In cazul motoarelor navale lente, cu cap de cruce, pistonul se executa, de regula, din doua parti asamblate: cea superioara din otel, cea inferioara din fonta. Pistoanele sunt prevazute cu spatii speciale de racire, fiind inchise la partea inferioara. Acest lucru ofera posibilitatea utilizarii lor ca pompa de baleiaj. Aceste nu sunt prevazute cu umeri de fixare a boltului, ele fiind asamblate rigid cu tija pistonului. Fig.2.4

3.SOLICITARILE PISTONULUI

In timpul functionarii, capul pistonului este supus actiunii fortei de presiune F_p, care se transmite prin umerii pistonului la bolt, imprimand grupului piston o viteza v_p. Componenta normala N aplica pistonul pe cilindru si produce forta de frecare F_f, care reprezinta cca. 70% din pierderile mecanice ale motorului. (fig.2.5).

In contact cu gazele fierbinti, pistonul primeste un flux de caldura Q_p si se incalzeste. Cea mai mare parte din caldura primita (cca. 60.70%) se evacueaza la nivelul RPS (fig.2.6). O buna parte din caldura (20.30%) se evacueaza prin manta, iar restul se transmite gazelor din carter si uleiului care vine in contact cu partea interioara a capului sau a RPS, precum si boltului si bielei. In cazul pistoanelor racite, fluxul principal de caldura (peste 50%) este preluat de catre Fig.2.5.

lichidul de racire.

Fig.2.6. Fig.2.7

Echilibrul termic al pistonului (nivelul maxim de temperatura) depinde de regimul de functionare al motorului. Astfel, reducerea sarcinii si a turatiei micsoreaza nivelul de temperatura din piston, deoarece in primul caz se reduce doza de combustibil, iar in al doilea caz se reduce numarul de cicluri in unitatea de timp (v.fig.2.7) in care este exemplificata aceasta dependenta pentru MAS.

Exista trei zone principale de temperatura:

a)      zona capului, unde se atinge temperatura maxima, care reduce rezistenta mecanica a materialului;

b)      zona primului segment, unde uleiul formeaza substante dure si lucioase (numite lacuri), care impiedica deplasarea libera a segmentului;

c)      zona RPS si a mantalei, unde uleiul trebuie sa pastreze o capacitate portanta ridicata pentru suprafetele de reazem (segmenti-cilindru, manta-cilindru).

Diferenta de temperatura (diferenta dintre temperatura in functionare si cea la montaj sau la "rece") produce dilatarea pistonului. Pistonul se dilata radial si longitudinal (fig.2.8).

Dilatarea longitudinala da pistonului o forma tronconica avand baza in dreptul capului. Dilatarea mai mare a capului si a RPS creeaza pericolul gripajului si compromite asezarea corecta a segmentilor fata de oglinda cilindrului. Concentrarea de material in dreptul umerilor pistonului produce o dilatare inegala. Mantaua ia o forma ovala cu axa mare a elipsei pe directia axei locasurilor boltului.

Pentru a preveni griparea sau blocajul pistonului in cilindru, din cauza dilatarilor, chiar si la regimul nominal de functionare se prevede intre cele oua organe un joc diametral D' (fig.2.9.a), numit jocul la cald. La sarcini si turatii reduse si la mersul in gol, pistonul este Fig.2.8.

"rece" si jocul diametral D (fig.2.9.b), numit joc la rece sau joc la montaj, se amplifica de cateva ori, iar pistonul functioneaza cu zgomot. Totodata, datorita dilatarilor inegale ale pistonului, forma sa nu este perfect cilindrica ci tronconica (fig.2.9.b), eliptica, in trepte sau in forma de butoi.

Fig.2.9 Fig.2.10

Odata cu cresterea incarcarii termice este afectata nu numai siguranta in functionare ci si uzura grupului piston. Evacuarea caldurii din piston devine astfel un deziderat de maxima importanta. Una dintre solutiile utilizate in aceasta directie consta in utilizarea unor materiale cu conductibilitate termica ridicata (fig.2.10). O alta solutie consta in racirea fortata a pistonului care urmareste:

a)      reducerea temperaturii maxime a pistonului;

b)      reducerea temperaturii primului segment pentru evitarea blocarii sale;

c)      reducerea diferentelor de temperatura pentru micsorarea tensiunilor termice si a deformatiilor.

Tendinta generala de reducere a masei organelor de masini este accentuata in cazul pistoanelor atat pentru reducerea consumului de material cat si de diminuare a fortelor de inertie, rezultand posibilitatea cresterii turatiei si, implicit, a puterii motorului. Se poate proiecta un piston cu masa redusa daca:

a)      se micsoreaza grosimea peretilor - procedeu limitat din punct de vedere al rigiditatii si al rezistentei mecanice;

b)      se reduce inaltimea RPS - procedeu limitat de numarul si de inaltimea segmentilor;

c)      se scurteaza mantaua - procedeu limitat de valoarea admisibila a presiunii specifice;

d)      se utilizeaza aliaje cu densitate redusa - procedeu limitat de rezistenta mecanica scazuta a acestor materiale.

Pentru o buna echilibrare a motorului policilindric, pistoanele acestuia trebuie sa aiba mase identice.

4. MATERIALE DE FABRICATIE

Materialele pentru pistoane trebuie sa indeplineasca o serie de cerinte functionale si de durabilitate:

a)      rezistenta mecanica ridicata la temperaturi inalte si sarcini variabile;

b)      densitate redusa;

c)      conductibilitate ridicata;

d)      coeficient de dilatare liniara redus;

e)      calitati superioare antifrictiune la temperaturi mari si in conditii grele de ungere;

f)        rezistenta inalta la uzura abraziva, adeziva, coroziva si de oboseala;

g)      durabilitate mare.

Totodata trebuie indeplinite si cerintele de fabricatie:

a)      pret redus;

b)      usurinta la turnare sau matritare;

c)      usurinta la prelucrare prin aschiere.

Pistoanele se executa din aliaje de Al sau Fe, cu proprietati diferite. Aliajele de Al pot fi si pe baza de siliciu numite siluminiu, sau pe baza de Cu, numite si duraluminiu. Pistoanele din aluminiu se supun tratamentelor termice (calire si imbatranire), care le ridica durabilitatea si rezistenta mecanica.

O sporire a durabilitatii se obtine prin acoperirea pistonului, in special a mantalei, cu straturi protectoare care au calitatea de a mari aderenta uleiului la metal, de a imbunatati calitatile antifrictiune ale suprafetelor si de a fi rezistente la atacurile chimice. Se poate astfel realiza cositorirea, plumbuirea, grafitarea sau eloxarea, in functie de stratul protector ales.

Aliajele de Al se folosesc cu precadere la motoarele rapide avand avantajele:

a)      greutate specifica mai mica;

b)      conductibilitate termica mai buna;

c)      proprietati antifrictiune ridicata.

dar si dezavantajele:

a)      duritate mica, ceea ce reduce rezistenta la uzura;

b)      coeficient de dilatare liniara mare;

c)      caracteristici mecanice reduse.

Caracteristicile materialelor de constructie ale pistoanelor sunt prezentate comparativ in urmatorul tabel:

Tab.2.1. Caracteristicile materialelor de constructie ale pistoanelor