Proiect la disciplina constructia si calculul motoarelor cu ardere interna

Student: Alexandru Vasile

Grupa: 2441/1

Anul: IV

Tema proiectului: PistonulAutovehiculul: Volkswagen Bora 1.9 TDIFISA TEHNICAMotorDate tehnice despre motorul automobilului - poziia i amplasarea motorului, capacitate cilindric/cilindree, alimentare, cilindri, supape, raport de compresie, combustibil, etcetera.Tip de combustibildisel

Poziia i amplasarea motoruluitransversal, fa

Capacitate cilindric/cilindree1896 cc(centimetri cubi)

Distribuieax cu came/arbore cu came in chiulas (OHC)

Supraalimentareturbine de supraalimentare/turbocompresor

Raport de compresie19.00:1

Configuraie/Dispunere cilindrin linie

Numrul de cilindri4 (patru)

Supape pe cilindru2 (dou)

Alezaj79.50 mm(millimetri)

Cursa95.50 mm(millimetri)

Putere, cuplu, acceleraie, vitezInformaii despre puterea maxim, cuplul, viteza i revoluiile pe minut, la care sunt atinse. Acceleraie de la 0 la 100 km/h.Putere maxim150 c.p.(cai putere imperiali-hp)111.9 kW(kilowati)

Puterea maxim este atins la4000 rpm(rotaii pe minut)

Cuplu maxim310 Nm(Newton-metri)

Cuplul maxim este atins la1900 rpm(rotaii pe minut)

Acceleraie 0-100 km/h11.90 s(secunde)

Vitez maxim199 km/h(kilometri pe or)

Cuprins

Memoriul Tehnic3Obiectivul proiectului3Rolul si functiunile pistoanelor3Cerinte impuse3Clasificarea pistoanelor4Variante constructive5Varianta aleasa6Constructie si functionare6Memoriul de calcul8Calculul dimensiunilor principale8Alegerea materialului pistonului10Calculul de verificare a pistonului12Precizia fabricatiei15Intretinere si reparare16Defecte in exploatare16Diagnosticarea grupului piston16Reparare18Bibliografie19

Memoriul Tehnic

Obiectivul proiectuluiMotorul cu ardere interna cu piston este un motor termic la care produsele arderii intra in compozitia intra fluidului motor, iar evolutiile acestuia se realizeaza prin intermediul unui piston a carui miscare alternativa in interiorul unui cilindru se transforma in miscare de rotatie printr-un mecanism biela-manivela.Obiectivul acestui proiect reprezinta familiarizarea cu variantele constructive ale pistoanelor,partile componente ale acestora, determinarea avantajelor/dezavantajelor, a modului de functionare,precum si stabilirea prin intermediul calculelor a caracteristicilor dimensionale si functionale ale acestora.Rolul si functiunile pistoanelorGrupul piston asigura evolutia fluidului motor in cilindru si indeplineste urmatorul rol:-transmite bielei forta de presiune a gazelor-transmite cilindrului reactiunea normala produsa de biela (ghideaza piciorul bielei in cilindru);-etanseaza cilindrul in ambele sensuri: impiedica scaparea gazelorin exterior si patrunderea uleiului in interior;-evacueaza o parte din caldura dezvoltata prin arderea combustibilului;

Pistonul un numar de functiuni secundare si anume:-contine partial sau integral camera de ardere;-creaza o miscare dirijata a gazelor in cilindru;-este un organ de pompare in motoarele in patru timpi;-este un organ de distributie si in unele cazuri,de pompa pentru baleiaj la motoarele in doi timpi.Cerinte impuseDatorita conditiilor grele de functionare la care este supus pistonul,se impun o serie de cerinte asupra materialului din care este executatat acesta,urmand ca materialul din care se executa pistonul trebue sa satisfaca o serie de cerinte legate de functionarea motorului,durata de viata,posibilitatile de fabricare.Astfel,cerintele materialului repsectiv a pistonului sunt:-rezistenta la toate tipurile de uzura: adeziva, de contact, abraziva, coroziva, oboseaala;-sa aiba densitate cat mai mica (respectiv masa pistonului sa fie cat mai mica pentru reducerea fortelor de inertie);-sa aiba o rezistenta mecanica ridicata la solicitari variabile care apar in functionare si la temperaturi foarte ridicate;-sa posede conductivitate termica foarte bunaca sa evacueze caldura;-sa aiba coeficient de dilatare redus, apropiat de cel al materialului din care e executat cilindrulin conditii diferite de temperatura,pentru a evita pericolul griparii pistonului in cilindru;-materialul pistonului sa aiba proprietati antifrictiune foarte bune la temperaturi ridicatesi in conditii dificile de ungere;-sa fie usor de fabricat prin turnare sau matritaresi usor de prelucrat mecanic.

Clasificarea pistoanelor Dupa destinatie:-pistoane pentru MAS;-pistoane pentru MAC;

Dupa material:-pistoane din aliaj de aluminiu;-pistoane din aliaj de fier;

Dupa arhitectura capului pistonului:-cu cap plan;-cu cap cu cap concav;-cu cap bombat;-cu cap sub forma de cupa;

Dupa arhitectura mantalei:-piston cu manta rece;-piston cu manta elastica;

Variante constructive

Fig.1 Piston cu cap plat [6]Fig.2 Piston cu cap convex [6]

Fig 3. Piston cu cap concave [6]Fig 4. Piston cu evazari pentru supape [6]

La MAS capul pistonului are de obicei forma unui disc plan (fig.1), deoarece in acest caz suprafata de schimb de caldura este minima, iar fabricatia este simpla.Pistonul cu cap convex (fig.2) se caracterizeaza prin performante ridicate in timpul functionarii, pistonul rezista mai bine deoarece presiunea gazelor produce eforturi unitare de compresiune, dar in schimb are o suprafata mai mare de schimb de caldura,iar costul fabricatiei creste..Forma concava a capului pistonului (fig 3) apropie camera de ardere de forma semisferica dar in concavitate se acumuleaza ulei care formeaza calamina.La motoarele cu raport mare de comprimare, deoarece capul pistonului se apropie mult de chiulasa, iar supapele sunt deschise in PMS, apare pericolul de impact intre piston si supapa, care se poate evita prin realizarea unei evaziuni pe capul pistonului in dreptul supapelor (fig.4).Varianta aleasaA fost aleasa varianta constructiva corespunzatoare pistoanelor de la VW Bora 1.9 TDI, a carei poza este prezentata mai jos, acesta reprezentand un piston monobloc cu locas(cupa)in capul pistonui.

Fig.5 Piston VW Bora 1.9 TDI [6]Constructie si functionare

Fig.6 Constructia pistonului [6]Constructia pistonului (conform figurii 6) se compune din:capul pistonului,regiunea port segmenti,mantaua si umerii mantalei (locasurile boltului).Capul pistonului preia presiunea gazelorsi inchide spatiul cu volum variabil al camerei de ardere. Forma capului de piston trebue sa faciliteze arderea, fiind determinata de tipul motorului si al camerei de ardere.Forma capului pistonului este in directa legatura cu constructia camerei de ardere si diferentiaza diferitele tipuri de pistoane.La MAC forma capului pistonului se apropie de cea plana pentru mototarele cu camere de ardere divizate. La motoarele cu aprindere prin comprimare cu injectie directa, capul are forma de cupa mai mult sau mai putin deschisa sau este mulat dupa forma jetului.Regiunea port-segmenti este partea de etansare care contine canalelein care se introduc segmentii.Fiecare piston se echipeaza cu doi sau mai muli segmenti de compresie si cu unul sau doi segmenti de ungere. La MAS se utilizeaza in general doi-trei segmenti de compresie si unul de ungere,iar la MAC (la care presiunea de lucru in interiorul cilindrului este mai mare), numarul segmentilor de compresie se mareste cu unul sau doi iar cel al segmentilor de ungere (datorita turatiei mai reduse) se poate creste cu unul.Mantaua pistonului ghideaza pistonul in miscarea sa si transmite peretilor cilindrului forta normala. In dreptul boltului, mantaua se evazeaza deoarece suprafata laterala nu preia practic forta portanta-se reduce astfel frecarea, pericolul de gripaj si masa pistonului.Ca material pentru pistoane se folosesc aliajele pe baza de otel sau aluminiu. Astfel pentru mototarele rapide de automobile se folosesc aliaje de aluminiu, iar pnetru MAC supraalimentate se folosesc aliaje din fonta sau otel, care raspund unui numar mai mare de cerinte pentru pistoanele monobloc si combinatii de materiale pentru pistonele compuse.Pistoanele pentru motoare de putere mijlocie si mica se executa de obicei din aliaje de aluminiu cu Cu, Ni, Si. Pistoanele din fonta sau otel au pereti mai subtiri,in limitele unei rezistente ridicate si masa chiar mai mica decat a celor din aliaje de aluminiu,dar influenteaza negativ evacuarea caldurii.

Memoriul de calcul

Calculul dimensiunilor principaleDimensiunile principale ale pistonului se precizeaza pe baza datelor statistice. Se stabileste lungimea regiunii port-segmenti numai dupa ce s-a decis numarul si inaltimea segmentilor. Lungimea pistonului si diametrul umerilor mantalei se stabilesc in corelatie cu dimensiunile boltului.Capul pistonului, regiunea port-segmenti si mantaua se vor supune unui clacul de verificare. Profilul longitudinal si radial se traseaza in raport cu dilatatiile admise.In figura 7 sunt prezentate dimensiunile principale caracteristice unui piston. Astfel, se alege un numar de 2 segmenti de comprimare si 1 segment raclor.Dimensiunile segmentilor sunt stabilitite confrm dimensionilor date de producator:Inaltimea: 1.750;2.0;3 mm.

Fig.7 Dimensiunile caracteristice a pistonului [4]

Din conditiile tehnice ale autovehiculului ales, se stabileste ca alezajul D=79.5 mm. Astfel, conform formulelor de mai jos, se stabilesc dimensiunile principale ale pistonului: Lungimea pistonului:

Lungimea mantalei:

Inaltimea de compresie:

Inaltimea de protectie a segmentului de foc:

Grosimea flancului:

Grosimea flancului primului segment:

Grosimea capului:

Diametrul exterior al umerilor boltului:

Diametrul interior al mantalei:

Celelalte dimensiuni se aleg constructiv incat sa se respecte conditiile de rezistenta.

Alegerea materialului pistonuluiMaterialul utilizat pentru constructia pistonului trebue sa indeplineasca mai multe cerinte; unele se refera la functionarea normala, altele la durabilitate, iar al treilea grup, la fabricatie.Cerinte functionale si de durabilitate:1. rezistenta mecanica ridicata la temperaturi inalte si sarcini variabile;2. densitate redusa;3. conductibilitate ridicata;4. dilatare liniara redusa;5. calitati superioare antifrictiune;6. rezistenta inalta la uzuzra abraziva,adeziva,coroziva si obobseala;7. durata mare de servici: 130....200000 km parcursi pentru motoare de turism;Cerintele fabricatiei:1. pret redus;2. ususrinta la turnare sau matritare;3. ususrinta la prelucrare prin aschiere;Cele mai utilizate materiale pentru constructia pistonului sunt fonta si otelul sau aluminiu. Analiza comparativa a proprietatilor mecanice sunt prezentate in tabelul 1. Pe baza proprietatilor 2 si 3 se poate realiza un piston din aliaj de aluminiu cu pereti grosi care evacueaza mai usor caldura si reduce temperatura maxima a capului si a primului canal de segment.In schimb, pistonul din fonta sau otel are pereti mai subtiri si masa chiar mai mica.

ProprietatileNatura aliajului

Aliaj de aluminiuFonta si otel

1Rezistenta mecanicaMicaMare (de trei ori)

2DensitateaMicaMare (de trei ori)

3Coeficientul de conductibilitateMareMic (de trei ori)

4Coeficientul de dilatareMareMic (de doua ori)

5Proprietati antifrictiuneSuperioareInferioare

6Rezistenta la uzareMicaMare

7Precizia de turnareMareMica

8Prelucrarea prin aschiereusoaraGrea

Tab.1 Comparatie intre proprietatile aliajelor de piston [4]

Pistoanele din aliajele de aluminiu se fabrica prin turnare in cochilie sau prin matritare. Pistonaele din fonta se fabrica prin turnare in nisip,procedeu utilizat si la turnarea individuala a pistoanelor din aliaj de aluminiu, de dimensiuni mari.Se studiaza fabricarea pistoanelor din aliaje de aluminiu prin sinterizare.Turnarea pistonului in cochilie este mai ieftina si se preteaza la productia de serie mare sau de masa. Matritarea pistonului este un procedeu mai scump dar imbunatateste calitatile mecanice ale aliajului.In prezent, pistoanele total din fonte se utilizeaza rara in constructia motoarelor de automobile. La motoarele supraalimentate,cu presiune medie relativ mare (pe>12...13 daN/cm2) se trece la fabricarea pistoanelor din doua aliaje: capul se confectioneaza din aliaj de aluminiu care are greutatea specifica redusa si proprietati inalte antifrictiune. Solutia se foloseste mai ales cand se aplica racire fortata. La MAC, solutiile constructive se combina in mai multe variante in raport cu turatia.Aliajele pentru piston se comporta diferit la uzura (conform tabelului 2). Absenta uleiului dintre piston si cilindru in perioadele de rodaj, sau la pornirea la rece a motorului intensifica uzarea pistonului. O sporire a durabilitatii se obtine prin acoperirea pistonului, indeosebi a mantalei cu straturi protectoare, care au calitatea de a mari aderenta uleiului la metal, de a imbunatati calitatile de antifrictiune ale suprafetei, de a fi rezistente la atacuri chimice.

Materialul pistonuluiUzura relativa (%)

Bohnalit: 910% Cu, 0,3% Si, 0,10,5% Mg, Fe 1%, rest Al100

Fonta perlitica, eventual aliata45

Aliaj Al-Si hypereutectic60

Aliaj Al-Si eutectic (Low-Ex)80

Aliaj Y84

Electron ZS-32 (aliaj Mg-Zn-Si)145

Tab.2 Influenta materialului asupra uzurii pistonului [4]

Analizand avantajele expuse mai sus, precum si luand in considerare conditiile de fnctionare si particularitatile constructive ale motorului (motor cu aprindere prin comprimare, supraalimentat, presiune medie mare de lucru pe>60 daN/cm2 precum si raport mare de comprimare:19:1), se alege ca pistonul sa se execute din fonta.

Calculul de verificare a pistonului1. Grosimea capului pistonului se verifica in ipoteza ca acesta reprzinta o placa circulara incastrata pe contur, de grosime constanta,de diametru egal cu diametrul interior al capului si incarcata cu o sarcina uniform distribuita,data de presiunea maxima a gazelordin cilindru.Intrucat cea mai mare parte a efortului unitar se realizeaza la margine, rezulta ca efortul unitar re va fi dat de relatia:

unde: pmax=80 daN/cm2 reprezinta presiunea maxima de functionare in camera de ardere a motorului (aleasa orientativ pentru MAC).Dci=32 mm diametrul interior al capului pistonului ales constructiv.Tensiunea admisibila pentru fonta reprezinta a=400 daN/cm2. Pentru ca sa severifice conditia de rezistenta trebue ca re