Piston (mecanic)

De la Wikipedia, enciclopedia liberă.
Salt la navigare Salt la căutare
Partea inferioară a unui piston în patru timpi. În acest caz este o componentă realizată prin ciocănire (vizibile fibrele materialului pe marginile interioare neprelucrate) și finisată cu mașini-unelte. Fusta, din stânga, prezintă semne evidente de convulsie, adică o interferență mecanică datorată expansiunii excesive a pistonului, cauzată de o răcire inadecvată sau de o lubrifiere insuficientă. Sechestrul provoacă suduri reale prin fuziune între butoi și piston.

Pistonul este un element animat cu mișcare rectilinie alternativă a mecanismului manivelei de tracțiune rotativă a unei mașini cu piston (de exemplu un motor cu abur , un motor cu aprindere pozitivă , un motor diesel , un motor Stirling ), asupra căruia acționează presiunea unui fluid.

Părți ale pistonului

Pistonul unui motor cu ardere internă constă din:

  • Manta: Partea laterală a pistonului, un cilindru solid care prezintă:
    • Locațiile inelelor de răzuire elastice și de ulei: caneluri prezente în partea superioară de lângă cer.
    • Aduceți știftul gudgeon: găuri în mantaua liniei centrale. Cu cât axa care le traversează trece mai aproape de centrul de greutate al pistonului, cu atât fenomenul sunetului soneriei este mai redus, adică mișcările oscilatorii care apar în timpul cursei.
  • Cer: porțiunea superioară a pistonului, formează partea inferioară a camerei de ardere.
  • Fișă: știft care permite cuplarea cinematică cu biela .
  • Benzi elastice : inele metalice introduse în caneluri special prelucrate pe diametrul exterior al pistonului, a căror sarcină este de a asigura cea mai bună etanșare la presiunea de ardere generată.
  • Inel de raclare : un alt inel de etanșare a cărui funcție specifică este de a elimina orice exces de ulei lubrifiant din tubul cilindrului, reducând fricțiunea hidrodinamică și posibilitatea transferului de lubrifiant în camera de ardere.

Măsuri

Pistonul este măsurat în diferite părți:

  • Sau Diametrul găurii , măsura necesară pentru cuplarea corectă cu cilindrul
  • Măsurarea înălțimii a părții de compresie a mantalei prezentă în partea superioară a pistonului, știftul pistonului de la centru până la marginea superioară a mantalei
  • Formați cerul , tipul capului este indicat în general prin litere, astfel încât să puteți distinge cu ușurință.
    • Măsurați măsurarea înălțimii capului cerului, de la marginea superioară a mantalei până la proporția mai mare de camber. În cazuri speciale (în special în cazul camerelor de ardere Heron sau Diesel), valoarea poate fi negativă.
  • Lungimea totală măsoară întreaga lungime a pistonului, care este condusă atât de mantaua care din profilul coroanei pistonului
  • Segmentele de tip pe tipul de scaune și benzile compatibile sunt în general marcate cu litere, astfel încât să puteți distinge cu ușurință
    • Numărul de segmente indică câte locații sunt prezente
    • Segmentele de înălțime indică înălțimea segmentului
  • Diametrul pinului indică întinderea fișei
  • Lungimea fișei indică cât de lungă este aceasta

Producție

Producția diferă pentru tipul de construcție al pistonului, care poate fi:

  • Zone în coajă sau pur și simplu zone, în care aliajul este realizat prin turnare gravitațională în matriță, dar există o variantă în care exploatează forța centrifugă și în care matrița se rotește și aplică o ușoară compresie a aliajului topit
  • Imprimat , aliajul este utilizat mai întâi pentru crearea brutului pistonului, care este apoi supus unei presiuni prin intermediul unei presă, pentru a aproxima în continuare moleculele aliajului, astfel de rezultate sunt o cale de mijloc între fusuri și forjate. .
  • Forjat , aliajul este încălzit până la punctul de topire și împins printr-un ciocan la o presiune ridicată în interiorul matriței, această tehnică, comparativ cu turnarea, permite un aliaj mai compact și mai bogat în legături moleculare, care pentru același volum este mai grele, dar extrem de rezistente, ceea ce permite crearea de pistoane și mai ușoare și mai puternice (diferențe minime) decât fusurile.

Forma pistonului

Forma reală rece a pistonului nu este cilindrică, deoarece distribuția masei și a temperaturilor de funcționare este inegală, iar acest lucru duce la expansiuni neuniforme. Forma sa este mai mult sau mai puțin trunchiată-conică în secțiune (în realitate, diametrul maxim este de obicei la aproximativ 10 mm de marginea inferioară a mantalei) și ovală în plan, unde axa inferioară trece prin știft și capacitățile sale. Forma precisă pentru fiecare motor și aplicație este definită prin simulări pe computer și teste funcționale, astfel încât la temperatura de funcționare să asume forma corectă pentru a asigura cele mai mici oscilații în butoi, lubrifiere corectă, frecare redusă și etanșeitatea gazului de ardere cea mai eficientă .

Forme particulare

Pistoane ovale Honda NR 500

Pe lângă formele clasice există și pistoane, în general pentru motoarele rotative, unde forma este complet diferită, ca în cazul motorului Wankel , unde pistonul sau rotorul are o formă trohoidală, dar există și cazul unui motor clasic (piston alternati) unde acestea, în loc de secțiunea rotundă obișnuită (împreună cu cea a cilindrului relativ), au un profil oval. Este cea utilizată pe motocicletele Honda NR , atât în ​​competiții, care pentru utilizare rutieră.

Fusta cu piston

Înălțimea fustei, deci partea pistonului în contact cu cilindrul, este foarte importantă, deoarece cu cât aveți mai puțină fustă, cu atât este mai redusă frecarea și pistonul este mai ușor, dar dacă fusta este redusă prea mult, au posibilitatea ca acesta să-și piardă funcțiile.

În cazul celor 2 timpi, dacă fusta este prea scurtă în fața orificiului de evacuare, se generează o scurgere de amestec din țeava de eșapament sau o infiltrare a gazelor de eșapament și, în consecință, pierderea puterii motorului, dacă în schimb este prea lung. pe laturi, reduce capacitatea de transfer , reducând de asemenea puterea în acest caz.

În cazul celor 4 timpi, dacă mantaua este foarte mică, cu funcționare la viteze mari și sub solicitare (cuplată cu posibila uzură a pieselor), pistonul se poate roti și poate cauza ruperea întregului motor, făcându-l inutilizabil.

Precauții

Diferite tipuri de pistoane
Piston pentru motor în 4 timpi cu fustă care nu este complet în contact cu cilindrul, aruncat în zona de curgere a știftului și forat

Pentru a crește performanța motorului, pistonul poate fi modelat în diferite moduri:

  • Manta în formă în partea inferioară. În cazul celor patru timpi, această zonă este modelată astfel încât să poată fi folosite biele mai scurte, în timp ce în cele două timpi este formată astfel încât să lase liber trecerea pentru transferuri.
  • O parte a mantalei care nu este în contact cu cilindrul. În acest caz, părți reale ale mantalei pot lipsi în punctele în care acest lucru nu este absolut necesar sau, mai simplu, unele părți ale acesteia nu intră în contact direct cu cilindrul. În orice caz, aceste părți sunt înconjurate în mod adecvat de celelalte care, în schimb, intră în contact cu cilindrul pentru a menține cuplajul corect. Prin minimizarea contactului dintre carcasă și peretele cilindrului, fricțiunea poate fi redusă și, prin urmare, căldura produsă de aceasta poate fi redusă. În general, părțile jachetei care nu intră în contact direct cu cilindrul sunt cele apropiate de găurile de inserare a știftului.
  • Forarea sau perforarea mantalei. Constă în crearea de găuri sau fenestrații în manta. În cazul celor patru timpi, aceste găuri sunt aranjate pe scaunul inelului răzuitorului de ulei, astfel încât să poată colecta mai mult ulei, în timp ce pentru cele două timpi aceste fenestrații sunt utilizate pentru a îmbunătăți lubrifierea capătului mic sau răcirea sau funcționalitatea orificiilor de transfer sau a fazelor ciclului de funcționare a motorului, cum ar fi aspirația
  • Utilizarea materialului autolubrifiant. Acesta constă în fabricarea unei părți a fustei cu piston cu un material de umplere care este capabil să ungă singur, quest'accorgimento vă permite să faceți o spargere mai rapid și să reduceți riscurile de confiscare .
  • Glisați pe partea de evacuare. Această soluție este utilizată doar pe unele motoare în doi timpi și are avantajul de a permite un timp de evacuare mai mare, fără a fi nevoie să mărească înălțimea orificiului de evacuare de pe cilindru, permițând, de asemenea, să nu afecteze excesiv eficiența volumetrică comparativ cu un orificiu de evacuare. cu aceeași sincronizare, dar mai mare, permite, de asemenea, o secțiune mai constantă a orificiului de evacuare și mai puține turbulențe ale gazelor din orificiul de ieșire, în special la începutul deschiderii.
    Pe de altă parte, agravează forma camerei de ardere, păstrând o cantitate mai mare de combustibil pe partea laterală a camerei și reducând efectul squish al chiulasei, deoarece în general nu este o soluție utilizată de producători, ci obținută de măiestrie, nu există un profil al capului special conceput pentru aceasta, care reduce eficiența termică și este motivul pentru care această soluție a căzut în uz.
  • Pinul decalat al sediului central. Cu această previziune încercăm să reducem zgomotul pistonului făcând trecerea suportului de pe o parte a cilindrului pe cealaltă mai graduală, creând sau nici măcar un mecanism cu manivelă oblică [1] , poate fi folosit și la pistoanele care au coroana înclinată pentru a reduce mișcarea cuplului și rotația pistonului în timpul diferitelor faze, deoarece forța rezultată din planul coroanei generează un vector care nu trece printr-un scaun de piston centrat.
  • Capacitățile pinului prelucrate Keystone (scaunul bielei trapezoidale) capacitățile pistonului sunt prelucrate astfel încât să fie mai puțin voluminoase în partea inferioară a pistonului, pentru a facilita lubrifierea știftului pistonului, pentru a îmbunătăți răcirea porțiunii inferioare a pistonului coroanei prin jeturile de lubrifiere și reduce greutatea pistonului și a maselor alternante.

Coroana pistonului

Piston de culoare închisă, sac, decentrat
Primele modele de pistoane deflectoare pentru motoare în doi timpi

Coroana pistonului poate avea diferite forme:

  • Portbagaj conic Cupa. Acest tip este cel care necesită cea mai mare procesare și permite cea mai bună ieșire termică și crearea turbulenței, dar este și mai scump. Este un piston cu o coroană conică trunchiată cu partea cea mai centrală întunecată (concavă), care poate fi obținută prin prelucrare (Tronco conica) sau turnare (rotunjită).
  • Invessa sau Cupa. În acest caz, coroana este concavă, iar concavitatea poate fi extinsă pe întreaga suprafață a pistonului sau poate fi limitată la partea cea mai centrală a acestuia. Permite colectarea mai bună a amestecului în centrul camerei de ardere și îmbunătățirea arderii, de asemenea, exploatarea mai bună a gazelor de ardere, concentrându-le în centrul camerei de ardere, permițând mai puțin să îndemne inelele pistonului. Acest tip de tavan este compatibil cu orice tip de cap.
  • Cupa vezicii urinare (numai la motoarele cu injecție directă pe piston). Această conformație este utilizată în principal la motoarele diesel. Cerul este plat, cu o zonă întunecată (limitată la zona cea mai centrală, dar uneori descentralizată) în centrul căreia există un con sau proeminență de alte forme, astfel încât jetul injectorului să fie colectat cât mai mult posibil în piston, care va constitui ea însăși camera de ardere, deoarece partea cerului din jurul concavității este aproape în contact cu chiulasa.
  • Trunchiul conic. Cerul are forma unui con trunchiat și se caracterizează cu baza mai mică în sus și plată. Acest tip are caracteristica de a reduce cantitatea de benzină pe părțile laterale ale camerei de ardere, îmbunătățind efectul squish (ca la pistonul convex), reușește, de asemenea, să crească turbulența în camera de ardere mai mult decât orice alt tip de piston.
  • Conic. Are capacitatea de a crește raportul de compresie , îmbunătățind exploatarea combustiei, mai mult, reușește, de asemenea, să reducă cantitatea de benzină pe părțile laterale ale camerei de ardere, îmbunătățind efectul squish.
    Această formă se obține prin prelucrare și pistoanele cu acest tip de coroană sunt utilizate în principal pentru motoare care necesită măsurători precise.
Piston convex cu încoronare limitat la zona centrală a coroanei pistonului
  • Bombat. Are capacitatea de a crește raportul de compresie , îmbunătățind exploatarea combustiei. Această coroană, datorită formei sale, permite o abatere ascendentă a amestecului proaspăt, similar cu pistoanele deflectoare. Forma este dată de fuziune, iar în modelele economice șlefuirea este limitată la centru, lăsând restul cerului aproape plat, în timp ce la modelele cu performanțe superioare se extinde pe tot cerul, dar cu o rază de curbură mai mică și de fapt rămânând foarte jos.
  • Apartament. Este cel mai ieftin de produs, atât ca procesare, cât și ca studiu, deoarece nu stresează prea mult pistonul. Pentru a crește performanța, este necesar să se dezvolte focoase dedicate, mai degrabă decât pentru celelalte tipuri de pistoane, deoarece forma plană generează mai puține turbulențe și necesită mai mult avans de aprindere.
  • Cu scaune pentru supape (numai pentru motoare cu supape cu clapetă pe chiulasă). Forma vârfului este rotunjită sau plană și are scaune speciale pentru a permite mișcarea supapelor de tip poppet în ele, astfel încât să existe o întârziere în închiderea sau deschiderea timpurie a supapelor în sine.
  • Un deflector (numai pentru motoarele în doi timpi). Tavanul are un deflector, care nu permite încărcarea proaspătă care vine de la carter să se amestece cu gazele arse. Acest tip de plafon nu mai este utilizat datorită nenumăratelor dezavantaje, cum ar fi descentralizarea greutății pistonului, volumul, care complică forma camerei de ardere (și deci a capului) și creșterea suprafeței expuse la combustie.
  • Înclinat este un piston cu planul cerului înclinat în raport cu axa sa, acest aranjament este foarte special și rar folosit, un exemplu de utilizare este în V-ul motorului Bugatti Veyron [2] [3] sau Lancia Fulvia , Quest 'a avut ultima oară un motor V de 12 ° și un singur cap, motiv pentru care pistonul are un plan înclinat al cerului [4] .

În plus, coroana pistonului, în funcție de diferitele nevoi, poate avea procese:

  • Micro-găuri pentru comunicarea cu scaunul inelelor pistonului, coroana pistonului are găuri mici care permit comunicarea cu scaunul inelelor, mai precis în spatele lor, permite să crească și mai mult efectul gazelor arse, care chiar și fără aceste găuri acestea se insinuează deasupra și în interiorul inelului pistonului și îl apasă în continuare împotriva cilindrului, aceste găuri permit atât să accelereze procesul, cât și să mărească etanșarea și, prin urmare, să reducă scurgerile de gaze către carter (suflare).
  • Eșapament lateral de eșapament, proces utilizat pe unele motoare în 2 timpi dezafectate, care permite creșterea fazei de eșapament fără ridicarea orificiului de eșapament de pe cilindru, obținându-se astfel o modificare reversibilă prin simpla înlocuire a pistonului, dar care are tendința de a reduce squish-ul efect asupra unei porțiuni din camera de ardere.

Proiectare [5] [6] [7]

Proiectarea pistonului trebuie să ia în considerare diverși factori, precum determinarea câmpului termic la care este supus și tratamentele care pot varia caracteristicile acestuia, de fapt, pistoanele au o temperatură de funcționare cuprinsă între 300 ° C pentru partea superioară (partea centrală) la 100 ° C pentru partea inferioară a carcasei, care în partea sa superioară poate atinge 200 ° C, această diferență de temperatură duce, de asemenea, la o expansiune diferită, de fapt, diametrul pistonului la 20 ° C este mai mare în partea sa mai mică, diferențele dintre partea superioară și manta apar și în ceea ce privește solicitările, de fapt partea superioară este supusă unei solicitări mai mari datorită arderii.

Această distribuție a căldurii și dilatarea diferențiată în diferite zone forțează utilizarea profilelor diferite ale formei pistonului și, în unele cazuri, a unor materiale particulare sau a mai multor materiale, pentru a obține o cuplare cât mai constantă la diferite temperaturi de funcționare ale diferitelor părți, ceea ce permite atât pentru a reduce zgomotul de funcționare și consumul de ulei [8] .

Deteriorarea pistonului

Pot apărea diverse daune ale acestei componente mecanice, care necesită înlocuirea acesteia:

  • Sechestru . Apare atunci când pistonul se extinde prea mult pentru căldură și rupe pelicula de lubrifiant pe suprafața cilindrului cu blocarea motorului. În aceste condiții, pot apărea daune și celorlalte părți ale motorului.
  • Spistonamento . Acest lucru se întâmplă atunci când pistonul lovește mecanic capul motorului sau când motorul este ținut sub o sarcină excesivă pentru prea mult timp, deformând scaunele știftului pistonului și creând un joc de cuplare care dăunează pentru toată viața și performanța motorului.
  • Pitting. Apare atunci când se formează mici depuneri în partea superioară (ușor de remarcat la atingere) constând din picături de material al pistonului care rezultă din topirea parțială a acestuia din cauza supraîncălzirii locale. În timp, reapariția acestui fenomen poate duce și la o gaură în cer.
  • Fuziune sau gaură a cerului. Forajul de mai sus poate apărea, de asemenea, din cauza unui avans excesiv de sincronizare a aprinderii, carburare prea slabă, detonare sau pre-aprindere : toate cazurile în care există o combustie foarte timpurie și care se termină înainte de TDC, ridicând temperatura vârfului a pistonului și care duce mai întâi la o depresiune și apoi la puncție.

Materiale

Pistoanele pot fi realizate în diferite materiale sau cu soluții diferite, în general cea mai obișnuită soluție este realizarea într-un singur material, cel mai frecvent utilizat este aluminiu, în diferitele sale aliaje, în general un aliaj AlSi cu concentrații diferite de siliciu (în general din 12 până la 21%) [9] , unde aliajele cu o concentrație mai mare de siliciu (> 12,5% sunt definite ca hipereutectice) permit reducerea dilatării termice și sunt utilizate în general pentru producerea pistoanelor turnate, alte aliaje pot fi aluminiu 2618 sau 2618A (AlCu [10] și cu concentrații reduse de siliciu <2%) pentru pistoanele forjate la cald [11] sau 4032 (12,5% siliciu [12] ) din nou pentru pistoanele forjate de înaltă performanță [13] .

O soluție relativ recentă și complexă este producerea de pistoane bimetalice sau ambreiaje, cum ar fi un inel lamelar din fontă în prima canelură a inelului pistonului sau bucșe în corespondență cu scaunul pinului pistonului, în ceea ce privește pistoanele bimetalice, cum ar fi pistoanele cu o coroană de oțel și o carcasă de aluminiu, aceste două componente sunt realizate separat și sunt ținute împreună de știft [14] , o altă soluție specială este crearea de pistoane ceramice. [15]

În trecut, înainte de anii 1950, oțelul și fonta erau folosite și la fabricarea pistoanelor; în prezent utilizarea acestor metale este limitată la câteva cazuri. [15]

Pistoanele sunt fabricate din aliaj de aluminiu, astfel încât aluminiu pur nu are caracteristici suficiente pentru a susține munca necesară unui motor de endocombustie, motiv pentru care este aliat cu alte elemente, inclusiv: [16]

  • Fotbalul , mărește porozitatea aliajului.
  • Fierul , mărește rezistența, dar scade ductilitatea.
  • Magneziul îmbunătățește rezistența la coroziune, favorizează ductilitatea și lucrabilitatea, pe de altă parte, face turnarea mai critică, deoarece în această fază aliajul tinde să se oxideze și tinde să încorporeze impurități de oxizi, crește, de asemenea, fragilitatea în timpul contracției, dar aceste aliaje sunt tratabile termic, care mărește rezistența mecanică
  • Manganul , mărește rezistența mecanică a aliajelor prelucrate și reduce susceptibilitatea la coroziune și la solicitări corozive intergranulare, dar în cazul compușilor intermetalici reduce ductilitatea.
  • Nichel , crește caracteristicile mecanice la cald.
  • Cuprul , îmbunătățește rezistența la temperaturi ridicate în aliajele de turnătorie, reduce coeficientul de expansiune termică, dar reduce și fluiditatea aliajelor, poate reduce ductilitatea și rezistența la coroziune, tratamentul termic îmbunătățește duritatea.
  • Siliciul , permite atât o turnabilitate mai bună a aliajului în matriță, fie pentru a conferi o rezistență mai mare la uzură și o dilatare la cald mai mică.
  • Stronțiul , permite crearea de siliciu globular foarte fin și, prin creșterea durității, a lucrabilității și reduce tendința la formarea de cavități de contracție.
  • Titan , reduce tendința de fisurare la fier în aliajele de turnătorie.

Notă

Elemente conexe

Alte proiecte

linkuri externe

Controlul autorității LCCN (EN) sh85102475 · NDL (EN, JA) 00.569.119
Mecanică Portalul mecanicii : accesați intrările Wikipedia care se ocupă de mecanică