SEGMENTUL, AXUL PISTONULUI (BOLTUL), TIJA PISTONULUI SI CAPUL DE CRUCE. ANALIZA FUNCTIONALA, PARTICULARITATI CONSTRUCTIVE, NATERIALE

SEGMENTUL

Rolul functional

Segmentii pistoanelor indeplinesc, in principal, functia de etansare a camerei de ardere. Segmentii care impiedica scaparea gazelor din camera de ardere spre carter se numesc segmenti de comprimare, iar cei care impiedica trecerea uleiului spre camera de ardere se numesc segmenti de ungere.

Segmentii de comprimare indeplinesc o functie suplimentara: evacueaza o mare parte din caldura preluata de piston catre cilindru. La randul lor, segmentii de ungere indeplinesc si ei o functie suplimentara: dozeaza si distribuie uniform uleiul pe camasa de cilindru. In situatia in care ei nu indeplinesc decat functia de radere a peliculei de ulei, se mai numesc si segmenti raclori.

Constructia segmentului

Segmentul este de forma unui inel taiat. Distanta s dintre capete se numeste rost. Dimensiunea caracteristica a sectiunii dupa directia radiala se numeste grosime radiala a, iar cea dupa directia axiala se numeste inaltimea h. In stare montata, diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D, iar diametrul interior este, evident, .

Fiecare piston se echipeaza cu doi segmenti sau mai multi de comprimare si cu unul sau doi segmenti de ungere. In cazul utilizarii a doi segmenti de ungere, cel inferior poate fi amplasat si pe manta, sub bolt.

Segmentii se monteaza in canalele practicate pe periferia pistonului. Cerinta fundamentala pentru realizarea etansarii este ca segmentul sa se aseze perfect cu suprafata S_l pe oglinda cilindrului si cu Fig.2.11.

suprafata frontala S_f pe flancul inferior f_i sau inferior f_s al canalului de piston (fig.2.12). Pentru a asigura contactul, segmentul trebuie sa dezvolte o presiune pe cilindru, din care cauza trebuie sa fie elastic. In acest scop, segmentul in stare libera are diametrul exterior D_o mai mare decat diametrul exterior in stare montata D (fig.2.11). De aici rezulta ca rostul in stare libera s_o trebuie sa fie mai mare decat rostul in stare montata s_m. Ca urmare, in fibrele interioare apar reactiuni elastice, datorita carora segmentul dezvolta pe cilindru o presiune numita presiune medie elastica. Elasticitatea segmentului se opune    Fig.2.12.

tendintei de intrerupere a contactului, provocata de deformatiile de montaj, termice si de uzura suferite de cilindru. De aceea segmentul se monteaza in canal cu un joc axial D_a si un joc radial D_r

Din punct de vedere constructiv, segmentii se impart in doua categorii:

a)      segmentii cu elasticitate proprie;

b)      segmentii cu expandor.

Segmentii de comprimare cu elasticitate proprie au o mare varietate de tipuri constructive. Segmentul cel mai simplu este cel realizat cu sectiune dreptunghiulara (fig.2.13.a). Muchiile ascutite racleaza energic pelicula de ulei, iar perioada de rodaj este mai mare. Aceste dezavantaje se inlatura prin utilizarea unor segmenti cu muchia laterala inclinata (fig.2.13.b), cu degajari pe suprafata laterala (fig.2.13.c) sau cu muchiile tesite (fig.2.13.d), forma cea mai avantajoasa fiind cea bombata. (fig.2.13.e).

Fig.2.13

O solutie eficienta contra blocarii segmentului o constituie segmentul trapezoidal (fig.2.13. f si g). Durabilitatea se mareste acoperind suprafata laterala a segmentului cu un strat protector de crom sau molibden (fig.2.1. h, i si j) sau introducand in aceasta suprafata insertii de cositor, bronz sau oxid de fier cu grafit. (fig.2.13. k si l).

Segmentii de ungere se grupeaza in doua clase: segmenti cu sectiune unitara sau neperforati (fig.2.14. a,b si c) si segmenti cu sectiune radiala perforata (fig.2.14.d si e). Numarul si dimensiunile orificiilor, precum si dimensiunile spatiului de acumulare a uleiului sub segment determina eficienta segmentului.

Segmentii cu expandor au montat in spatele lor, in canal, un element elastic, care aplica segmentul pe oglinda cilindrului cu o presiune uniform distribuita. Sub actiunea expandorului, se asigura o presiune sporita de contact, ceea ce impune utilizarea lor indeosebi la segmentii de ungere.

Fig.2.14

Capetele segmentilor comporta prelucrari diferite, cea mai simpla fiind taietura dreapta (fig.2.15.a). Experienta arata ca scaparile nu sunt practic influentate de pozitia taieturii pe piston, chiar atunci cand toate rosturile sunt pe aceiasi generatoare. De aceea, rotirea segmentului nu este impiedicata. Fig.2.15

In schimb la motoarele in 2t exista pericolul agatarii capatului segmentului de marginile ferestrelor cilindrului si, de aceea, ele se blocheaza intr-o pozitie fixa in canale cu ajutorul unor stifturi montate in fundul canalelor de piston.

Solicitarile segmentilor

Alaturi de solicitarile mecanice produse de reactiunile elastice din segment, acesta mai este supus la insemnate solicitari termice. Dintre toti segmentii, cel superior (dinspre pmi) are nivelul termic cel mai ridicat, deoarece vine in contact cu gazele fierbinti si cu portiunea cea mai calda a pistonului. De aceea, el este numit si segmentul de foc.

Temperatura segmentului variaza radial, avand valoarea minima pe suprafata de contact, pe directia axiala temperatura segmentului fiind practic constanta. Urmarind deplasarea fluxului termic prin segment (fig2.16), se observa ca un rol deosebit il joaca suprafetele de contact ale segmentului si deci, variatia convenabila a caldurii evacuate din piston se obtine modificand cele doua dimensiuni principale ale segmentului, a si h. Fig.2.16

Procesul de uzura a segmentului are trei aspecte fundamentale:

a)      uzura adevarata sau de contact;

b)      uzura abraziva;

c)      uzura coroziva.

Cazurile de uzura prin oboseala sunt foarte rare.

Fata de pozitia optima a segmentului in canal (fig.2.17.a), se pot ivi abateri de provocate de dezaxarea pistonului in cilindru datorita jocurilor (fig.2.17.b si c), de inclinarea flancurilor canalului fata de planul normal de la axa cilindrului (fig.2.17.d), de dilatarea sau uzarea cilindrului (fig.2.17.e) sau de toate aceste la un loc. Deformarea segmentului si uzura lui (fig.2.17. f si g) impiedica, de asemenea, contactul perfect pe suprafata de lucru. Se intelege ca asemenea abateri, micsorand suprafata de contact, reduc si eficienta etansarii.

Fig.2.17

Materiale de fabricatie

Materialul pentru segmenti trebuie sa posede urmatoarele proprietati:

a)      calitati bune de alunecare, pentru a atenua pierderile mecanice in conditiile frecarii semifluide si pentru a preveni gripajul;

b)      duritate ridicata, pentru a prelua sarcinile mari de contact si pentru a rezista la uzura coroziva si abraziva;

c)      rezistenta la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice si electrochimice;

d)      rezistenta mecanica la temperaturi relativ mari, pentru a realiza un segment usor, de dimensiuni reduse;

e)      modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari, invariabil in timp, pentru a preveni vibratiile;

f)        calitati bune de adaptabilitate rapida la forma cilindrului.

Nu exista materiale care sa satisfaca simultan cerintele enumerate. Otelul este impropriu, intrucat nu poseda calitati satisfacatoare de alunecare, find folosit doar cand sunt necesare rezistente mecanice sporite. Cel mai des intalniti sunt segmentii din fonta. Fonta trebuie sa contina, ca orice material antifrictiune, doua faze: o faza dura, cu rezistenta mecanica inalta, pentru a prelua sarcinile de contact si o faza moale, cu rezistenta mica la deformatia plastica, ceea ce asigura proprietatea antigripanta a materialului. Fonta pentru segmenti care satisface bine cerintele unui material antifrictiune este fonta cenusie perlitica, cu grafit lamelar.

La MAC-uri supraalimentate, primul segment suporta sarcini termice ridicate si, de aceea, se utilizeaza frecvent segmenti de otel. Pentru a imbunatati comportarea la alunecare, otelul se grafiteaza.

O cale de marire a durabilitatii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi metalice superficiale, care sunt de doua categorii: unele maresc rezistenta la uzura in timpul functionarii, altele imbunatatesc rodajul. Protejarea segmentului la uzura coroziva se asigura uneori prin acoperirea cu un strat superficial de fosfor.

2.AXUL PISTONULUI (BOLTUL)

2.1. Rolul funtional

Axul pistonului (boltul) este un organ intalnit la motoarele fara cap de cruce, la care biela este articulata direct de piston, deci la motoarele rapide si semirapide. El transmite forta datorita presiunii gazelor de la piston la biela (miscarea plan - paralela).

2.2 Constructia boltului

Pentru ca biela sa poata oscila fata de axa cilindrului, boltul se monteaza cu joc fie in piston, fie in biela sau cu joc in ambele organe (boltul flotant).

Cand boltul este fix in biela, el are o miscare continua in umerii pistonului si, pentru preintampinarea uzurii boltului sau a umerilor pistonului, se prevad bucse de bronz. Cand boltul este flotant (cazul cel mai des intalnit), el este antrenat intr-o miscare alternativa de rotatie de catre forte de frecare variabile, iar dupa un anumit numar de cicluri motoare executa o rotatie completa. De aceea, uzura acestui tip de bolt este mai mica in comparatie cu a celorlalte tipuri constructive.

Forma boltului este impusa din considerente de masa, de rigiditate, de fabricatie. Forma tubulara asigura o masa redusa si o rezistenta corespunzatoare. Boltul cu sectiune constanta (fig.2.18.a) este o solutie tehnologica simpla. La motoarele rapide, grosimea peretilor se reduce mult. Pentru marirea rigiditatii boltului acesta se confectioneaza sub forma unui solid de egala rezistenta (fig.2.18.b), dar solutia creeaza dificultati tehnologice.

Fig.2.18

Intrucat deformatia maxima de incovoiere apare in sectiunea centrala, iar cea de ovalizare se produce intr-o zona centrala reprezentand cca.20% din lungimea boltului, o rigiditate suplimentara se obtine prin prelucrarea cilindrica in trepte a suprafetei interioare (fig.2.18. c si d), ceea ce este avantajos si pentru forfecare.

In ceea ce priveste montajul boltului, solutia fixarii sale in piston si a montarii libere in piciorul bielei elimina ungerea boltului in locasurile din piston, dar produce o concentrare mare de tensiuni la marginile umerilor si mareste masa imbinarii.

Montajul fix in biela prezinta avantajul micsorarii dezaxarii bielei si, implicit, reducerea intensitatii zgomotului in functionare. Montajul flotant al boltului, desi mareste dezaxarea bielei, reduce uzura boltului in umerii pistonului. In acest caz, insa, apare posibilitatea deplasarii axiale a boltului, producandu-se rizuri pe oglinda cilindrului. Miscarea axiala a boltului se limiteaza pe doua cai. Metoda cea mai raspandita consta in fixarea unor inele de siguranta in santurile practicate in umerii pistonului (fig.2.19.a). Inelele de siguranta impiedica trecerea frontala a uleiului pe suprafata boltului din locas. Acest dezavantaj poate fi inlaturat prin intermediul unor capace sferice la exterior (fig.2.19.b), confectionate din material usor si moale (aliaj de Al sau Mg). Fig.2.19

2.3. Solicitarile boltului

Boltul dezvolta forte de inertie care incarca organele mecanismului motor. De aici rezulta necesitatea ce masa botului sa fie cat mai redusa. Boltul lucreaza in conditii grele de solicitare mecanica, fiind solicitat de forta de presiune a gazelor si de forta de inertie dezvoltata de piston.

Intr-o sectiune transversala, apar solicitari de incovoiere care provoaca deformarea boltului dupa axa songitudinala (fig.2.20.a). Solicitari de incovoiere apar si in sectiunea longitudinala, solicitari care deformeaza boltul in plan transversal - deformarea de ovalizare (fig.2.20.b). Fig.2.20

Primele solicitari produc ruperea boltului in planul transversal, iar celelalte in plan longitudinal.

In prima faza a arderii, fortele de presiune inregistreaza cresteri rapide care produc solicitarea prin soc. De asemenea, caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseala al boltului.

Experienta arata ca deformarea de ovalizare a boltului produce si ruperea piciorului bielei, iar incovoierea boltului poate produce si ruperea locasurilor boltului din piston.

2.4. Materialele de fabricatie

Materialele pentru bolt trebuie sa fie tenace pentru a rezista la solicitarile prin soc. Un material tenace are insa o deformare mare - ceea ce nu corespunde solicitarilor de incovoiere si oboseala. Se obtin solutii de compromis daca se asigura o duritate ridicata stratului superficial si o tenacitate ridicata miezului.

Materialele care satisfac cel mai bine aceste conditii sunt OLC si OLA (elemente de aliere: Cr, Ni, Mn, Mo), cu continut redus de carbon (0,12.0,35%). Prin tratamentul termochimic de cementare se aduce duritatea suprafetei la nivelul dorit. Acest procedeu este scump si el se inlocuieste adeseori cu calirea superficiala pe o adancime de 1,0.1,5mm.

TIJA PISTONULUI

Rolul functional

La motoarele mari navale, forta normala pe suprafata cilindrului N (v.fig.2.5) este foarte mare. Rezulta frecari foarte mari si uzuri rapide ale camasii cilindrului. De aceea, aceste motoare au mecanismul motor cu cap de cruce (fig.2.21.b), caz in care forta normala N se transmite direct batiului prin intermediul capului de cruce.

Aceste motoare prezinta urmatoarele particularitati:

a)      posibilitatea unui joc mai mare intre piston si cilindru;

b)      utilizarea unor pistoane cu inaltime (implicit masa) redusa;

c)      posibilitatea etansarii carterului prin etansarea trecerii tijei pistonului in carter;

d)      micsorarea uzurii pistonului.

Fig.2.21

Tija pistonului este organul care face legatura dintre piston si capul de cruce, transmitand forta de presiune a gazelor.

Constructia tijei pistonului

Tija pistonului (fig.2.22) are o sectiune circulara (plina sau tubulara). Asamblarea cu pistonul se realizeaza prin insurubare cu ajutorul unei flanse circulare. Razele de racordare a flansei cu corpul tijei sunt mari, iar pistonul trebuie prevazut cu stifturi pentru centrarea cu flansa.

Tija este folosita, de regula, la conducerea agentului de racire (ulei, uneori apa) la piston. Cand se asigura circulatia agentului de racire in ambele sensuri, se prevede in interiorul tijei o teava din alama sau din otel inoxdabil.

Fixarea tijei in traversa capului de cruce se face printr-o coada cilindrica sau conica filetata. Piulita de fixare trebuie asigurata contra desfacerii cu o contrapiulita sau cu un stift.

Etansarea trecerii in carter poate fi realizata cu ajutorul unor placi circulare infiletate in corpul batiului. In interior sunt prevazute inele de etansare.

Fig.2.22

Solicitarile si materialele de fabricatie

Sub actiunea fortei de presiune a gazelor, tija pistonului este solicitata la compresiune si la flambaj. Suprafata conica de fixare in traversa capului de cruce este solicitata la strivire sub actiunea aceleiasi forte.

Ca materiale de fabricatie se utilizeaza otelurile de inalta rezistenta sau otelurile aliate cu Cr, Ni, Mn.

CAPUL DE CRUCE

4.1.Rolul functional

Capul de cruce realizeaza legatura dintre tija pistonului si biela. El preia forta de presiune a gazelor si transmite bielei componenta longitudinala, iar batiului - prin intermediul glisierelor si patinelor - componenta normala.

Fig.2.23

4.2. Constructia capului de cruce

Partea centrala a capului de cruce o constituie traversa in care este fixata tija pistonului (fig.2.25). Pe traversa sunt fixate fusurile pentru articularea piciorului bielei si bratelor patinelor. In acest caz, piciorul bielei este in forma de furca, dar priderea bielei poate fi realizata si cu ajutorul unui bolt.

Patinele se pot executa in mai multe variante. Astfel, exista patine unilaterale (fig.2.23.a), la care forta normala intr-un sens este preluata de suprafata de sprijin a patinei (glisiera fixata de batiu), iar pentru celalalt sens se folosesc doua portiuni inguste de sprijin, numite falcele. Prinderea patinei unilaterale de capul de cruce se face cu 4 sau 6 bolturi care trec prin traversa capului de cruce. Exista, de asemenea, forme bilaterale cu patru suprafete de sprijin plate, identice (fig.2.23.b) sau cu doua suprafete de sprijin cilindrice, identice (fig.2.23.c).

4.3. Solicitarile si materialele de fabricatie

Capul de cruce trebuie sa fie o piesa robusta, capabila sa preia eforturi in regim de solicitari dinamice, periodice si cu socuri. Principala solicitare de care se tine seama la dimensionarea capului de cruce o constituie presiunea dintre patina si glisiera. Valoarea acestei presiuni trebuie sa nu conduca la intreruperea filmului de ulei de ungere.

Capul de cruce este confectionat din otel, turnat sau forjat, si prelucrat apoi prin strunjire si frezare. Fusurile (bolturile) capului de cruce sunt supuse tratamentului termic. Suprafetele de frecare ale patinelor se acopera cu un strat de material antifrictiune (babit, de ex.) si sunt prevazute cu canale de ungere. Glisierele se confectioneaza din fonta sau otel turnat, fiind prevazute cu racire interioara cu apa.