SOLICITARILE PISTONULUI. DIMENSIUNI CARACTERISTICE ALE PISTONULUI SI ALE JOCURILOR FUNCTIONALE. CALCULUL DE DIMENSIONARE SI VERIFICARE LA REZISTENTA, VALORI ADMISIBILE ALE MARIMILOR CARACTERISTICE

1.SOLICITARILE SI DIMENSIUNILE PISTONULUI

In cadrul temei P.2.1 au fost prezentate functiunile pe care le indeplineste pistonul in timpul functionarii (transmiterea F_p, etansarea cilindrului, evacuarea unei fractiuni din caldura dezvoltata prin ardere, transmiterea N s.a.) De asemenea, au fost precizate principalele solicitari mecanice si termice la care este supus acest organ mobil.

Constructia pistonului se stabileste functie de caracteristicile functionale ale motorului pe care urmeaza sa-l echipeze. Dimensiunile sale principale se precizeaza in functie de alezaj, pe baza datelor statistice, urmand ca aceste valori sa fie verificate din punct de vedere al rezistentei la solicitarile la care este supus. In tabelul 7.1., sunt prezentate valorile uzuale ale principalelor dimensiuni, pe baza notatiilor din figura 7.1.

Fig.7.1.

Tab.7.1. Principalele dimensiuni constructive ale pistonului

2.CALCULUL CAPULUI PISTONULUI

Diametrul capului pistonului se calculeaza avand in vedere faptul ca temperaturile (t_p si t_c) si coeficientii de dilatare liniara (a_p si a_c) ai materialelor pistonului si, respectiv, cilindrului sunt diferite. Rezulta astfel relatia:

[mm]

in care D[mm] este alezajul, z_p[mm] jocul diametral la cald si t_o [ C] temperatura mediului ambiant.

Valorile temperaturilor de regim ale cilindrului si, respectiv, capului pistonului variaza pe parcursul unui ciclu de functionare. In efectuarea calculelor se considera valori medii, in tabelul 7.2 fiind mentionate valorile uzuale ale acestor marimi, iar in figura 7.2 fiind prezentate cateva distributii caracteristice ale temperaturii pe suprafata pistonului.

Tab. 7.2.Valori uzuale ale temperaturilor pistonului si cilindrului si ale coeficientilor de dilatare liniara ai materialelor de fabricatie

Fig.7.2.

Grosimea capului pistonului se determina din conditiile de rezistenta la solicitarile mecanice si termice la care este supus acesta. Pentru determinarea solicitarilor mecanice, capul pistonului se considera drept o placa circulara, de grosime constanta, incastrata pe contur, si incarca cu o sarcina uniform distribuita, determinata de presiunea maxima a fluidului motor (fig.7.3.a si b). In cazul pistoanelor cu nervuri, corpul pistonului este considerat a fi format din grinzi independente, incastrate la margine, avand latimea egala cu distanta dintre nervuri sau cu D_i/3 , cand exista o singura nervura (fig.7.3.c).

Ca urmare a actiunii presiunii maxime a fluidului motor, in cele doua cazuri, apar solicitarile mecanice ale caror expresii de calcul sunt centralizate in tabelul 7.3.

Fig.7.3.

Tab.7.3. Solicitarile mecanice ale capului pistonului

In aceste relatii au fost utilizate urmatoarele notatii: p_max [daN/cm²] - presiunea maxima a fluidului motor; m - coeficientul lui Poisson; d [cm] - grosimea capului pistonului; b[cm] - latimea nervurii; W [cm³] - modulul de rezistenta al sectiunii transversale a nervurii si D_i [cm] - diametrul interior al capului pistonului:

notatiile corespunzand figurii 7.1 si tabelului 7.1.

Avand in vedere faptul ca valoarea maxima a solicitarilor mecanice se inregistreaza la extremitatile discului, in calculele de verificare este suficienta determinarea eforturilor mecanice numai in aceasta regiune.

Solicitarile termice ale capului pistonului provin din diferentele de temperatura existente intre diferitele zone ale acestuia. Exista trei distributii caracteristice ale temperaturii in capul pistonului:

a)      izotermele sunt suprafete plane, normale la axa pistonului, cu scaderea temperaturii de la fibra superioara la cea inferioara;

b)      izotermele sunt suprafete cilindrice, coaxiale cu cilindrul, cu scaderea temperaturii de la centru spre extremitati;

c)      izotermele sunt suprafete cilindrice, coaxiale cu cilindrul, cu scaderea temperaturii de la extremitati spre centru.

Distributia de temperatura depinde de particularitatile constructiv-functionale ale acestora, dupa cum urmeaza:

Tab.7.4. Distributiile caracteristice de temperatura in capul pistoanelor

Pentru pistoanele cu nervuri nu se poate stabili o distributie a temperaturii apropiata de cea reala, astfel incat calculul tensiunilor termice se face ca si in cazul pistoanelor fara nervuri.

Expresiile de calcul ale solicitarilor termice, pentru cele trei tipuri de distributie de temperaturi sunt centralizate in urmatorul tabel:

Tab. 7.5. Solicitarile termice ale capului pistonului

In aceste relatii, s-au folosit urmatoarele notatii: E [daN/cm²] - modulul de elasticitate al materialului pistonului; m - coeficientul lui Poisson; t_s,i C]- temperatura zonei centrale (periferice) a capului pistonului; q_a [kJ/cm²h] - densitatea fluxului de caldura care strabate axial capul pistonului, d [cm] - grosimea capului pistonului; l [kJ/cm h grd] - coeficient de conductibilitate termica a materialului pistonului; a [grd^-1] - coeficient de dilatare liniara al materialului pistonului si k - coeficient care tine seama de dimensiunile capului pistonului:

(7.3)

Pentru determinarea densitatii fluxului de caldura q_a, se raporteaza fluxul termic ce strabate pistonul la suprafata acestuia:

[kJ/cm²h] (7.4)

unde: P_e,cil [kW] - este puterea efectiva pe cilindru; c_e [kg/kWh] - consumul specific efectiv de combustibil; Q_i [kJ/kg] - puterea calorifica inferioara a combustibilului; D_i[cm] - diametrul interior al capului pistonului si x - fractiunea preluata de piston din caldura degajata in cilindru prin arderea combustibilului.

In tabelul urmator, sunt prezentate valorile uzuale de calcul ale modulului de elasticitate E, coeficientului de conductibilitate l si fractiunii x

Tab.7.6. Valori uzuale ale unor marimi de calcul pentru determinarea solicitarilor termice ale capului pistonului.

Solicitarile totale din capul pistonului se obtin prin insumarea tensiunilor mecanice si a celor termice, care actioneaza pe aceeasi directie si in aceeasi zona a capului pistonului. Rezistenta capului pistonului la aceste solicitari este asigurata de conditia ca valoarea maxima a eforturilor unitare rezultante sa nu depaseasca urmatoarele valori admisibile prescrise pentru diverse materiale de constructie ale pistonului:

Tab.7.7. Eforturile unitare maxime admisibile pentru capul pistonului.

3. CALCULUL REGIUNII PORT SEGMENTI

Lungimea regiunii port-segmenti depinde de numarul de segmenti si de tipul pistonului. Primul segment se plaseaza la o distanta h (v. tab. 7.1 si fig.7.1) care sa-l protejeze de actiunea directa a flacarii. Distanta dintre doua canale port-segmenti este (fig.7.4):

[mm], unde b[mm] reprezinta inaltimea segmentului.

Inaltimea canalului port-segment este suma dintre inaltimea segmentului si jocul axial al acestuia:

[mm], (7.5)

iar latimea canalului suma dintre latimea segmentului si jocul radial al acestuia, minus jocul diametral la cald dintre piston si cilindru:

[mm] (7.6)

Valorile uzuale si rolul jocului segmentilor sunt precizate in cadrul temei P.7.3. (tab7.12).

Grosimea regiunii port-segmenti se determina din conditia de rezistenta la compresiunea exercitata sub actiunea presiunii maxime din cilindru. Sectiunea cea mai solicitata este situata in dreptul canalelor de ungere (fig.7.1.), efortul unitar de compresiune fiind dat de relatia: Fig.7.4

[daN/cm²] (7.7)

unde, in afara notiunilor prezentate pana in prezent, i_c reprezinta numarul canalelor de ungere si d_c [cm] - diametrul acestora (fig.7.1). Valorile maxime admisibile ale solicitarii de comprimare sunt indicate in tabelul 7.8.

La motoarele rapide, sectiunea situata in dreptul canalelor de ungere se verifica si la smulgere sub actiunea fortei de inertie. Notand cu m_pA masa regiunii pistonului de deasupra orificiilor de ungere (ptr. calculele preliminare, poate fi considerata 1/3 din masa pistonului), valoarea maxima a fortei de inertie se inregistreaza in pozitia de pmi.

Rezulta ca efortul unitar de tractiune la smulgere va fi:

[daN/cm²] (7.8)

Valorile maxime admisibile ale acestei solicitari sunt indicate in urmatorul tabel:

Tab.7.8. Valorile maxime admisibile ale solicitarii regiunii port-segmenti

4.CALCULUL MANTALEI

Diametrul mantalei se determina cu ajutorul relatiei (7.1), avandu-se in vedere valoarea corespunzatoare acestei regiuni a pistonului. Lungimea mantalei se determina din conditia ca presiunea dintre manta si cilindru sa nu depaseasca valoarea care intrerupe pelicula de ulei necesara ungerii. Valoarea acestei presiuni este data de relatia:

[daN/cm²] (7.9)

unde N_max [daN] reprezinta valoarea maxima a fortei normale si W_p [cm²] - suma ariilor proiectate pe suprafata cilindrului ale degajarilor practicate in manta (orificiile boltului; locasul segmentului de ungere din manta; degajarile prevazute pentru micsorarea masei). Valoarea acestei presiuni nu trebuie sa depaseasca :

a)      3,5 daN/cm² la pistoanele neracite din fonta;

b)      4,5 daN/cm² la pistoanele racite din fonta;

c)      7 daN/cm² la pistoanele din aliaje de aluminiu.

Grosimea mantalei trebuie sa conduca la o buna rigiditate si transmitere a caldurii, adoptandu-se conform datelor din tabelul 7.1.

Umerii pistonului se plaseaza astfel incat sa se creeze o presiune uniforma pe suprafata de sprijin. Diametrul exterior al umerilor se adopta in limitele (fig.7.1):
[mm]

unde d_e [mm] este diametrul exterior al axului pistonului (boltului).

Cand lipsesc nervurile care leaga umerii de capul pistonului, umerii se verifica la forfecare, sectiunea periculoasa fiind situata la incastrarea in manta. Solicitarea de forfecare are expresia:

[daN/cm²] (7.10)

Efortul unitar de forfecare maxim admisibil are valorile:

a)      t_a = 400.450 daN/cm² la pistoanele din fonta

b)      t_a = 250.400 daN/cm² la pistoanele din aliaje de Al.