4

Manual de proiectare

3. Grupul piston

3.1 Segmenii

3.1.1. Construcia segmenilor

Combinaiile uzuale de segmeni pentru motoare de autoturisme sunt prezentate n figura 3.15 (a pentru M.A.S. i b pentru M.A.C.).

Figura 3.15

O combinaie pentru M.A.S. (fig. 3.15a) poate cuprinde:- un segment de foc din oel, cu suprafaa lateral bombat simetric, avnd nlimea h1=1,2 mm. Toate suprafeele segmentului sunt nitrurate.- al doilea segment este unul cu umr, din font cenuie, i are nlimea h2=1,5 mm;- segmentul de ungere este din benzi de oel cu suprafeele de contact cromate sau cu benzile si elementul elastic nitrurate pe toate suprafeele. nlimea h3=3 mm.n ceea ce privete M.A.C. pentru autoturisme o posibil combinaie este (fig. 3.15b)- segmentul de foc este dreptunghiular, din font, cu nlimea h1=2,5 mm. Suprafaa exterioar, acoperit cu un strat crom-ceramic, este bombat asimetric (bombajul deplasat spre suprafaa inferioar).- al doilea segment este unul nclinat, din font cenuie, cu nlimea h2=2 mm. Acest segment este supus unui tratament de durificare a suprafeelor.- segmentul de ungere este cu element elastic (arc spiral) i are nlimea h3=3 mm. Suprafaa de contact cu cilindrul este cromat.

3.1.2. Calculul segmenilor

Prin calculul segmenilor se urmrete:- determinarea dimensiunilor de baz ale segmentului (fig. 3.17):- grosimea radial a;- nlimea segmentului h;

Figura 3.17

- determinarea formei libere a segmentului, care prin montarea n cilindru s asigure distribuia dorit a presiunii elastice pe periferia segmentului;- verificarea segmenilor la montaj tensiunea maxim de ncovoiere la desfacerea segmentului pentru montaj nu trebuie sa depeasc o valoare admisibil;- verificarea jocului ntre capetele libere ale segmentului pentru a se mpiedica contactul n timpul funcionrii;- stabilirea jocurilor n canalul practicat n piston.a. Presiunea elasticPentru segmentul cu distribuie constant a presiunii pe periferia segmentului:

(3.1)Expresia curbei de presiune pentru distribuia variabil de presiune este:

(3.2)Presiunea elastic medie pE se adopt din figura 3.19.

Figura 3.19

b. Momentul ncovoietor ntr-o seciune oarecare- pentru segmentul cu distribuie constant a presiunii elastice:

(3.3)- pentru segmentul cu distribuie variabil a presiunii elastice:

(3.4)c. Dimensiunile principale ale segmentuluiGrosimea radial a segmentului se determin pornind de la formula lui Navier:

(3.5)Tensiunea admisibil a se adopt din figura 3.22, funcie de diametrul interior al cilindrului D.

Figura 3.22

nlimea h a segmentului pentru D=30 ... 70 mm se poate alege din intervalul:h=1 ... 3 mm pentru segmeni de compresie;h 2,5 ... 4 mm pentru segmeni de ungere;K=2 pentru segment cu distribuie constant a presiunii elasticeK=1,72 pentru segment cu distribuie variabil a presiunii elasticed. Verificarea segmentului la tensiunea de montajPentru montarea segmentului n canalul din piston este necesar desfacerea acestuia. Prin desfacerea segmentului muchia interioar a acestuia trebuie s devin tangent la muchia exterioar a pistonului.Desfacerea segmentului se poate face fie prin aplicarea unei fore tangeniale (figura 3.24a), fie a unui moment ncovoietor (figura 3.24b).

Figura 3.24Cu schema de ncrcare din figura 3.24a tensiunea maxim de ncovoiere n seciunea opus rostului este:

[MPa](3.6)iar n cazul aplicrii momentului de ncovoiere (fig. 3.24b):

[MPa](3.7)Se observ c n al doilea caz tensiunea de ncovoiere este de dou ori mai mic dect n primul caz. Momentul ncovoietor necesar montajului segmentului pe piston se aplic utiliznd cleti de construcie special.

[mm](3.8)

unde: [mm4]

[mm]i [mm](3.9)g=0 pentru segment cu distribuie constant a presiunii elasticeg=0,1625 pentru segment cu distribuie variabil a presiunii elastice

Modulul de elasticitate pentru font:EFt=(0,85 ... 1,5).105 [MPa]e. Verificarea segmentului la dilataren urma montrii segmentului n cilindru rostul n stare liber se micoreaz i ajunge la valoarea de montaj sm. Datorit nclzirii din timpul funcionrii motorului, segmentul se dilat i rostul se micoreaz pn la valoarea sc. Normele DIN impun ca rostul de montaj s fie sm=0,2 ... 0,7 mm. Valorile mici sunt pentru alezaje mici.Rostul la cald este [3] sc=(0,0015 ... 0,003).D, care trebuie astfel ales nct Sm s se ncadreze n normele DIN.Dac rostul la cald este prea mare prin fanta creat cresc scprile de gaze sau ulei, iar dac este prea mic apare pericolul impactului ntre capetele libere ale segmentului, ceea ce ar compromite funcionarea segmentului i poate duce chiar la blocarea segmentului n cilindru.Apoi se calculeaz rostul la montaj sm care asigur n timpul funcionrii rostul la cald sc stabilit.Rostul de montaj:

[mm](3.10)unde: - s [grd-1] - coeficientul de dilatare liniar a materialului segementului (font)s=(10 ... 12).10-6 [grd-1] pentru font s=(10,5 ... 13,2).10-6 [grd-1] pentru oel

- ts [0C] - temperatura segmentului n timpul funcionrii motorului, .Cilindri sunt de dou tipuri:- cilindri amovibili sunt corp comun cu blocul motor i pot fi din font sau aluminiu;- cilindri movibili sunt, n general, din fontDe aceea:

pentru font

pentru aliaje de aluminiu

f. Jocurile segmentului n canalul din pistonPentru a-i ndeplini funcia de etanare, s-a artat c segmenii trebuie s fie montai n canal att cu joc axial ct i cu joc radial.Jocul axial are valori recomandate [3]:ja=0,02 ... 0,05 mm pentru m.a.s., cu valori mai mari pentru segmentul de foc deoarece temperatura sa este mai mare n timpul funcionrii;ja=0,02 ... 0,05 mm pentru m.a.c., cu valoare n jur de 0,1 mm pentru segmentul de foc i 0,03 mm segmentul de ungere;Jocul radial trebuie s asigure ptrunderea gazelor n spatele segmentului, dar s mpiedice blocarea acestuia n canal din cauza dilatrii n timpul funcionrii:jr=0,4 ... 0,7 mm pentru segmenii de compresie, cu valori mai mici pentru alezaje mici;jr=0,9 ... 1,3 mm pentru segmenii de ungere, cu valori mai mici pentru alezaje mici;g. Numrul de segmeniPentru a reduce nlimea i masa pistonului soluia general pentru motoarele de autovehicule este cu doi segmeni de compresie i un segment de ungere.Varianta cu doi segmeni de compresie i doi de ungere poate fi utilizat, eventual, la motoarele pentru vehicule comerciale de transport greu.

3.2. Bolul

3.2.2. Calculul bolului

Montajul schematic al bolului este prezentat n figura 3.27.unde: - lb [mm] - lungimea de sprijin a bolului n biel; - lp [mm] - lungimea de sprijin a bolului n locaul pistonului - l [mm] - lungimea bolului - jb [mm] - jocul ntre biel i umerii pistonului - dib [mm] - diametrul interior al bolului - deb [mm] - diametrul exterior al boluluiBolul se dimensioneaz pe baza datelor statistice.Se recomand urmtoarele valori:Lungimea bolului [mm]bol flotant l= (0,80,87).D pentru m.a.s. i m.a.c.bol fix l= (0,60,93).D pentru m.a.s. i m.a.c.lb - lungimea de sprijin n biel [mm]bol flotant lb= (0,30,4).D pentru m.a.s. lb= (0,320,42).D pentru m.a.c.bol fix lb= (0,260,3).D pentru m.a.s. lb= (0,270,32).D pentru m.a.c.Diametrul exterior al bolului:deb= (0.200.26).D pentru m.a.s.

Figura 3.27

deb= (0.320.38).D pentru m.a.c. autoturismedeb= (0.340.4).D pentru m.a.c. transport marfjb= 11.5 mm

lp=

= 0,550,70 pentru m.a.s. = 0.480.52 pentru m.a.c. autoturisme = 0,520,58 pentru m.a.c. transport marfScopul calculului este:- verificarea rezistenei la uzur- verificarea solicitrilor mecanice i a deformaiilor- stabilirea jocurilor la montaja) Verificarea la presiunea de contact: Pentru verificarea bolului la presiune de contact se consider c fora F care ncarc bolul este concentrat (fig. 3.28).

Figura 3.28

Se consider c fora F care acioneaz asupra bolului este dat de fora maxim de presiune Fpmax din care se scade fora maxim de inerie dat de masa pistonului i masa segmenilor FTP1 (pistonul ncepe cursa dinspre p.m.i. spre p.m.e., vezi fig. 3.29).

Figura 3.29

F= (p- 0,1) [N] (3.11)

unde: - p [MPa] - presiunea maxim din cilindru - D [mm] - alezajul

F= (mp+ms).r (1 + ) [N] unde: - mp [kg] masa pistonului - ms [m] masa segmenilor

- r = [mm] raza de manivel

- [rad/s] viteza unghiular a arborelui cotit

- = Masa grupului piston:mgp= mp+ms+mbunde: mb - masa boluluiSe poate considera c:mp+ms=0,7mgpi atunci:

F= 0,7 mgp(1 + ) [N] (3.12)rezult:

F= (pmax- 0.1) - mgp (1 + ) [N] (3.13)Presiunea n piciorul bielei este:

[MPa] (3.14)- presiunea admisibil n piciorul bielei:

Presiunea de contact n locaurile din piston este:

[MPa] (3.15)- presiunea admisibil n locaurile din piston:

b) Verificarea la ncovoierePentru stabilirea momentului ncovoietor se utilizeaz schema de ncrcare din figura 3.30a. iar diagramele pentru fora tietoare i momentul ncovoietor sunt prezentate n figura 3.30b, respectiv figura 3.30c.

Figura 3.30Tensiunea maxim de ncovoiere este:

[MPa] (3.16)Valorile maxime pentru tensiunea de ncovoiere sunt:Valorile admisibile pentru tensiunea de ncovoiere sunt:

250500 MPa pentru oel aliat

=120150 Mpa pentru oel carbonc) Verificarea la oboseal produs prin solicitarea la ncovoiereCalculul se desfoar diferit pentru bolul flotant i pentru bolul fix. n cazul bolului flotant acesta execut n timpul funcionrii o rotaie complet n jurul axei sale i de aceea ciclul de ncrcare este unul simetric (fig. 3.31.).

Figura 3.31Pentru ciclul simetric se calculeaz coeficientul de siguran la solicitarea la ncovoiere cu formula:

(3.17)

unde: - reprezint rezistena la oboseal pentru ciclul simetric

=(0.40.52) [MPa]

- rezistena la rupere a materialului bolului

= 7001500 MPa pentru oel aliat

= 500 750 MPa pentru oel carbon

- [MPa] - amplitudinea tensiunii

=Pentru ciclul simetric:

=

- - coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor.Deoarece n cazul bolului nu exist concentratori de tensiuni:

=1

- - factorul dimensional reprezint raportul dintre rezistena la oboseal a epruvetei cu diametrul oarecare i cea a epruvetei tip cu diametrul de 10 mm (se adopt din fig. 3.32)

Figura 3.32

Curbele din fig. 3.32 se refer la:4 - oel carbon fr concentratori de tensiune;3 - oel aliat fr concentratori de tensiune i oel carbon cu concentratori moderai;2 - oel aliat cu concentratori moderai;1 - oel aliat cu concentratori puternici;

- coeficient de calitate a suprafeei (din fig. 3.33)

Figura 3.33

Curbele din figura 3.33 sunt pentru:1 epruvet lustruit cu rugozitatea medie a suprafeei 0 1 m;2 suprafa lefuit cu rugozitatea medie 2 5 m;3 suprafa finisat prin strunjire cu rugozitatea medie 6 ... 8 m;4 suprafa rezultat prin strunjire de degroare cu rugozitatea medie 10 ... 40 m; 5 piese cu concentrator inelar de tensiune;6 suprafa laminat, cu crust; 7 suprafa corodat n ap dulce;8 suprafa corodat n ap srat;Coeficientul admisibil pentru solicitarea la oboseal prin ncovoiere:

c12.2Pentru bolul fix ciclul de ncrcare este unul asimetric (fig. 3.34).

Figura 3.34

Formula lui Serensen pentru ciclul asimetric este:

(3.18)

unde: - ,,, au aceeai semnificatie i se stabilesc la fel ca la bolul flotant.

[MPa] - rezistena la oboseal pentru ciclul pulsator.

=(1.41.6)

- tensiunea medie

=

=

unde din rel (3.97).

- rezult din relaia (3.97) unde F se nlocuiete cu - F

= [MPa] (3.19)Coeficientul admisibil pentru solicitarea la oboseal prin ncovoiere:

c24d) Verificarea la forfecare Seciunea periculoas este cea dintre piciorul bielei i umrul mantalei. Ruperile n urma acestei solicitri apar mai ales la bolurile cu perei groi. Tensiunea maxim de forfecare:

= [MPa] (3.20)Valorile admisibile ale tensiunii de forfecare

= 120150 MPa pentru oel aliat

= 70100 MPa pentru oel aliate) Calculul la ovalizare pentru bolul cu perei subiriAcest calcul se face pentru bolul cu perei subiri. Se consider ca bolul este o grind curb n seciune transversal, sarcina fiind distribuit sinusoidal pe jumtatea superioar a acestuia (fig. 3.36a).

Figura 3.36

S-a constatat experimental c solicitarea la ovalizare apare n seciunea longitudinal. Deoarece ipoteza repartiiei sinusoidale a sarcinii nu este exact sarcina se majoreaz cu un coeficient de corecie supraunitar K.

(3.21)unde: - =dib/debVariaia tensiunilor n fibra interioar, respectiv n cea exterioar este prezentat n figura 3.37.

Figura 3.37

Din figura 11 rezult c tensiunile maxime de ovalizare apar n seciunea c-c (punctele 1 i 2 din fig. 3.36), care include axa cilindrului (=900), i n planul n-n (punctele 3 i 4 din fig. 3.36), perendicular pe axa cilindrului (=00).Tensiunile n cele patru puncte: - tensiunea n fibra exterioar a seciunii c-c (punctul 4):

[MPa](3.22)- tensiunea n fibra interioar a seciunii c-c (punctul 3):

[MPa](3.23)- tensiunea n fibra exterioar a seciunii n-n (punctul 2):

[MPa](3.24)- tensiunea n fibra exterioar a seciunii n-n (punctul 1):

[MPa](3.25) - g grosimea radial a boluluiSe verific condiia:

Tensiunea de ovalizare admisibil:a=140 ... 300 MPaDin figura 3.37 se observ c tensiunea maxim se nregistreaz n fibra interioar a seciunii c-c (punctul 3), de aceea verificarea se poate face numai n acest punct cu relaia (3.112).f. Determinarea jocului la montaj n umerii mantaleiDeoarece n cazul montajului cu bol flotant n timpul funcionrii temperatura bolului este practic egal cu cea a piciorului bielei, iar cele dou piese sunt fabricate din oel, i jocul la cald este egal cu jocul la montaj.n schimb, bolul i pistonul sunt din materiale cu coeficient de dilatare liniar diferit i n timpul funcionrii au temperaturi diferite (pistonul este mai cald). Astfel, jocul la cald dintre bol i piston este diferit fa de jocul de montaj.Este important s se stabileasc valoarea jocului la montaj ntre bol i locauri, astfel nct n timpul funcionrii s rezulte jocul la cald impus.Jocul la montaj:

[mm](3.26)Pentru jocul la cald se recomand [3]:=(0,001 ... 0,005).deb [mm] - OL, AL [grd-1] coeficientrul de dilatare liniar pentru materialul bolului (oel), respectiv pentru cel al pistonului (aliaj de aluminiu)OL=12.10-6 grd-1 AL=(21 ... 24).10-6 grd-1- tb, tp [0C] temperatura bolului, respectiv a pistonului, n timpul funcionriitb150 0Ctp=150 ... 200 0C- t0 [0C] temperatura de montaj (temperatura mediului ambiant)t0=15 ... 20 0CSe adopt i din (3.118) i rezult valoarea jocului la montaj necesar, care trebuie s se ncadreze n urmtoarele intervale (tab. 3.4):

Tabelul 3.4Jocul la montajBol flotantBol fix[mm]

D100 mm[mm]

-0,002 ... +0,003-0,004 ... +0,004+0,006 .. +0 ,008

Din tabelul 3.4 se observ c n cazul bolului flotant exist posibilitatea ca montajul acestuia n loca s se fac cu strngere. n aceast situaie, pistonul se nclzete n ulei pentru a permite montarea manual a bolului. Temperatura la care este necesar nclzirea pistonului pentru montaj se determin din condiia ca diametrul interior al locaului dup nclzire Dlp s fie mai mare dect diametrul exterior al bolului la temperatura mediului ambiant deb.Dlp=(deb+).[1+AL(tm-t0) [mm ](3.27)unde: - tm [0C] temperatura la care se nclzete pistonulDin condiia:Dlp>deb (3.28)se determin temperatura minim la care trebuie nclzit pistonul pentru a permite montajul manual:

[0C](3.29)Pentru a fi posibil manipularea pistonului nclzit, se impune ca:tm80 ... 120 0Cg. Calculul deformaiei maxime de ovalizareDeformaia maxim de ovalizare bmax trebuie s fie de dou ori mai mic dect docul diametral la cald n locaul din piston , pentru a preveni gripajul:bmaxtea=0,25 dac tc