CAP.3 CALCULUL PISTONULUI3.1 Stabilirea dimensiunilor

Pistonul se dimensioneaza in raport cu solutiile constructiv-functionale alese, pe bazadatelor statistice (fig.4.70.a, fig.4.71, tab4.17). Este necesar ca operatia sa fie efectuata dupaproiectarea segmentilor si boltului.

Tinand cont de diametrul pistonul se vor determina dimensiunile relative ale pistonului:D 92 mm

Hc 0.6 D 55.2

Lm 0.8 D 73.6

δ 0.1 D 9.2H1 0.07 D 6.44

H 1.7H2 0.045 D 4.14

B 0.35 D 32.2

Diametrele in lungul pistonului se determina avand in vedere ca jocul diametral la cald D`reprezinta diferenta, in aceasta situatie, dintre diametrele cilindrului si pistonului. Pentruaceasta se considera parametrii

temperatura de functionare a cilindrului Tcil 390 K;

temperatura ambianta de montaj T0 293 K;

temperatura la capul pistonului Tcp 523 K;

temperatura la mantaua pistonului: Tm 393 K;

coeficientul de dilatare termica al materialelor cilindrului: αcil 12 106

(fonta);

coeficientul de dilatare termica al materialelor pistonului: αp 20 106

(aliaj usor);

jocul la cald al capului pistonului: Δ'cp 0.0025 D 0.23 mm;

jocul la cald al mantalei: Δ'm 0.00075 D 0.069 mm

Astfel obtinem:

Dcp

D 1 αcil Tcil T0 Δ'cp

1 αp Tcp T0 91.456 mm

Dm

D 1 αcil Tcil T0 Δ'm

1 αp Tm T0 91.854 mm

Diametrele rezultate trebuie sa asigure jocurile uzuale de montaj.La MAS, suprafata interioara a regiunii portsegmenti este de obicei cilindrica.Grosimea peretelui pentru automobile si tractoare se ia de:

Grosimea peretelui pentru automobile si tractoare se ia de: g 0.075 D 6.9 mmGrosimea peretelui mantalei pentru un motor rapid se considera: gm 0.03 D 2.76 mm

Pentru diametrul exterior al umerilor se de se recomanda: (1.3...1.6)d, unde d estediametrul orificiilor din umeri.

d 0.39 D 35.88 mm => de 1.4 d 50.232 mm

Profilul transversal al pistonului se stabileste conform indicatiilor. Daca forma periferieimantalei se apropie de o elipsa, ovalitatea maxima in dreptul axei umerilor se alege: δu 0.6 mm. Ovalitatea minima, la baza mantalei este: δm 0.07 mm

3.2 Verificarea solicitarilor

Capul pistonului se verifica la solicitari mecanice, termice si rezultante, asimilandu-l cu oplaca circulara incastrata pe contur (vezi fig.1.a), care are grosimea constanta δ si diametrul Dial suprafetei interioare a regiunii portsegmenti.

Pentru solicitarile mecanice se considera ca placa este incarcata de o sarcina uniformdistribuita, egala cu presiunea maxima a gazelor din cilindru pmax 6.688 MPa.

Eforturile unitare si tangentiale si calculeaza cu relatiile de mai jos fiind necesareurmatoarele marimi:

grosimea placii: δ H1 6.44 mm

adancimea canalului segmentului de compresiune: A 2.5 mmdiametrul pistonului pana la canalul segmentului: Ds Dcp 2 A 86.456 mm

diametrul suprafetei interioare a regiunii: Di Ds 2 g 72.656 mm

coeficientul lui Poisson: μ 0.34 (aliaj de aluminiu)

σrmarsup

3 pmax Di2

16 δ2

159.615 MPa σrmarinf

3 pmax Di2

16 δ2

159.615

MPa σtmarsup μ σrmarsup 54.269 MPa σtmarinf μ σrmarinf 54.269 MPa

Aceste eforturi se calculeaza si in centru, cu relatiile de mai jos si valori de semn contrar

, jfata de primele:

σrcsup

3 1 μ( ) pmax Di2

32 δ2

106.942 MPa

σrcinf

3 1 μ( ) pmax Di2

32 δ2

106.942 MPa

σtcsup

3 1 μ( ) pmax Di2

32 δ2

106.942 MPa

σtcinf

3 1 μ( ) pmax Di2

32 δ2

106.942 MPa

Solicitarile termice pot fi calculate presupunand ca grosimea δ este mica fata de razaplacii Ri=Di/2, astfel incat sa se negliheze variatia axiala a temperaturii; campul axial-simetriccaracteristic pistonului se reduce la o variatie a temperaturii numai dupa directia radiala,determinand o stare de temperaturi plana. Pentru un element al placii, situat la raza r de centru,care are latimea radiala dr si unghiul la centru dφ, eforturile unitare sun prezentate in figura 2.Conditia de echilibru dupa directia radiala este:

σr dσr r dr( ) dφ σr r dφ 2 σt sindφ

2

=0.

Admitand ca sin(dφ/2)~dφ/2 si neglihand infinitii mici de ordin superior, obtinem:σt=σr+r dσr/drVariatia temperaturii antreneaza modificarea dimensiunilor elementului considerat. La

temperatura de regim T, se constata urmatoarele:Tcentru 300 K

Tmar 220 K

E 7.5 104

N/mm2 - modulul de elasticitate (pentru aliaj din aluminiu)

Tinem cont ca: Ri

Di

236.328 mm si R

D

246

h R Ri δ 16.112

kδ

h

R2

Ri2

R2

Ri2

μ

1.861

Deoarece R'i>R"i actiuneaperetelui lateral se manifesta prin aplicarea unei presiuni p pe

Deoarece R i>R i, actiuneaperetelui lateral se manifesta prin aplicarea unei presiuni p peperiferia placii. Notand cu u' si u|" deplasarile radiale executate de periferia placii si respectiv, deperetele lateral, se obtine deplasarea totala u, ce indeplineste conditia |u|=|u'|+|u"|, in care u' siu" se calculeaza cu formula de la tuburi cu pereti grosi. Rezulta presiunea p: (Tc 721.293 K)

pαp E

2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa

Eforturile unitare corectate σ'r=σr-p si σ't=σ't-p se obtin folosind relatiile de mai sus.Distributia eforturilor unitare arata ca valorile periculoase se inregistreaza la marginea si in

centrul placii, unde se aplica relatiile:

σ'rmarsup

αp E

2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa

σ'tmarsup k μ( ) σ'rmarsup 226.809 MPa

σ'rmarinf

αp E

2 1 μ k( )Tc Tmar 149.161 MPa

σ'tmarinf k μ( ) σ'rmarinf 226.809 MPa

σ'rcsup3 μ k

2σ'rmarsup 337.146 MPa

σ'tcsup3 μ k

2σ'rmarsup 337.146 MPa

σ'rcinf3 μ k

2σ'rmarinf 337.146 MPa

σ'tcinf3 μ k

2σ'rmarinf 337.146 MPa

Considerandu-se:desitatea fluxului radial de caldura qr [W/m2]conductivitatea materialului pistonului λ 120 W/mK

qr

Tc Tmar

103

Ri2

4 δ λ 1.174 10

6

Pentru o evaluare mai completa a solicitarilor termice, se tine seama si de variatia axiala atemperaturii. Daca se admite ca temperatura scade liniar cu ∆T intre fibrele superioara siinferioara ale placii, valoarea absoluta a eforturilor unitare dupa orice directie este:

Tinem cont de densitatea fluxului axial de caldura: qa 0.25 qr 2.935 105

ΔT10

3qa δ

λ15.753

Obtinem astfel valoarea absoluta a eforturilor unitare:

σz αpE

2 1 μ( ) ΔT 17.902 MPa

Regiunea portsegmenti se verifica la solicitarea de compresiune datorata presiunii maximea gazelor. Sectiunea periculoasa este cea slabita de deschiderile prin care se evacueaza uleiulcolectat de segmentul de ungere.

Se noteaza cu Ωsu aria sectiunii periculoase. Daca aceasta sectiune contine ν 6 orificii

de dirijare a uleiului colectat (fig. 1,a) si tinand cont de Dsu D 2 A 87 mm, iar grosimea

radiala a segmentului de ungere , cu jocul sau radial a'su 0.07 , rezulta:

asu

Dcp Di 2 a'su

29.33 de unde:

Asu asu a'su 9.4 (grosimea radiala a segmentului de ungere)

Pentru dsu 1 mm se obtine:

Ωsuπ

4Dsu

2Di

2

ν dsu

Dsu Di

2 1.756 10

3

Efortul unitar de compresiune are expresia:

σc

π D2

pmax

4 Ωsu25.325 MPa

La motoarele rapide, aceasi sectiune se verifica si la intindere, sub actiunea fortei maximede inertie a masei mps din piston situata deasupra sectiunii periculoase. Pentru calculul acestei

forte avem nevoie de acceleratia maxima: mtr 0.86331 kg; ω 575.957 s-1; R 46

jpmax mtr R ω2

1.317 107

mps 0.4672128 kg

Fps 103

mps jpmax 6.155 103

Rezulta efortul unitar: ( Λ 0.3333 )

σi

103

mps R ω2

1 Λ( )

Ωsu5.415 MPa

Solicitari rezultante:

La margine:σrezrmarsup σrmarsup σ'rmarsup σz 7.447 MPa

σrezrmarinf σrmarinf σ'rmarinf σz 7.447 MPa

σreztmarsup σtmarsup σ'tmarsup σz 263.176 MPa

σreztmarinf σtmarinf σ'tmarinf σz 263.176 MPa

In centru:σrezrcsup σrcsup σ'rcsup σz 461.989 MPa

σrezrcinf σrcinf σ'rcinf σz 248.105 MPa

σreztcsup σtcsup σ'tcsup σz 461.989 MPa

σreztcinf σtcinf σ'tcinf σz 248.105 MPa

Cap.4 Boltul

Materiale utilizate in constructia boltului:oteluri laminate de calitate (OLC)oteluri aliate

Pentru diminuarea uzurii, pe suprafata exterioara a boltului se aplica un tratament terminc decementare sau calire CIF.

Materialul ales pentru constructia boltului este otel aliat 20MoNi35 cu rezistenta de rupere: σr 1400

Modulul de elasticitate longitudinal al otelului din care se fabrica boltul este:

E 2.1 105

N/mm2

Pentru MAS se recomanda utilizare boltului fix in piciorul bielei.

4.1 Dimensionare: