CONSTRUCTIA PISTONULUI :

Pistonul este compus din urmatoarele parti:

a)      capul pistonului - partea superioara (dinspre pmi) care preia presiunea gazelor;

b)      regiunea port segmenti - partea laterala a pistonului, prevazuta cu canale in care se introduc segmentii;

c)      mantaua pistonului - partea laterala inferioara a pistonului care ghideaza pistonul in cilindru si transmite forta normala (la motoarele fara cap de cruce);

d)     umerii pistonului - partea in care se sprijina boltul;

Fig. 17.

Arhitectura capului pistonului depinde in mare de tipul camerei de ardere. La MAS, el are, de obicei forma unui disc plan (fig. 18.a), deoarece in acest caz suprafata de schimb de caldura este minima, iar fabricatia este simpla. Forma concava (fig. 18.b) apropie camera de ardere de forma semisferica, dar in cavitate se acumuleaza ulei care formeaza calamina. Forma bombata (fig. 18.c) rezista mai bine, deoarece presiunea gazelor produce eforturi unitare de compresiune. In schimb, suprafata de schimb de caldura este mare si costul fabricatiei ridicat.

Fig. 18.

La MAC, forma capului pistonului se apropie de cea plana pentru motoarele cu camera de ardere impartita. In cazul camerelor de ardere unitare, capul are forma de cupa mai mult sau mai putin deschisa (fig. 18.f,g si h).

La motoarele cu e mare, deoarece capul pistonului se apropie mult de chiulasa in pmi, apare pericolul impactului cu supapele de distributie. In acest caz, in capul pistonului se evazeaza locasuri in dreptul supapelor.

Pentru a mari rigiditatea capului pistonului, partea lui inferioara se nervureaza. La pistoanele pentru MAC, se urmareste in primul rand descarcarea termica a primului segment care are o tendinta mai activa de coxare decat in cazul MAS-urilor. In acest scop, pentru a impiedica orientarea fluxului de caldura numai catre primul segment, se racordeaza larg capul pistonului cu RPS - regiunea port segmenti (fig. 19.a). O alta metoda consta in amplasarea canalului primului segment cat mai jos fata de capul pistonului, de obicei sub marginea lui inferioara (fig. 19.b).

Deoarece materialul din dreptul primului segment isi pierde mai usor duritatea si suporta atacul agentilor corozivi, o solutie eficienta de protejare o constituie utilizarea unor insertii de metal, de forma unui inel cu canelura (fig. 19.c) sau a unui disc inelar din otel (fig. 19.d). Uneori, prin intermediul unui cilindru canelat la exterior, incorporat in RPS - regiunea port segmenti (fig. 19.e) se protejeaza toate canalele de segmenti.

In anumite situatii, cand solicitarile termice ale capului pistonului sunt ridicate, insertia de metal se prevede si in capul pistonului, in dreptul jetului de flacara sau combustibil (fig. 19.f si g). Insertia de metal, in cazul pistoanelor din Al, se confectioneaza din fonta cenusie, fonta speciala sau austenitica, avand coeficientul de dilatare apropiat de cel al aluminiului.

Arhitectura mantalei se realizeaza astfel incat sa se asigure o valoare limitata a presiunii specifice determinata de forta normala N. Aceasta solicitare determina in timpul functionarii o forma eliptica a mantalei. Deformarea poate fi contracarata prin confectionarea pistonului sub o forma eliptica, axa mare a elipsei fiind pe directia normala la axul boltului.

O alta solutie folosita in constructia mantalei (in special la MAS) o reprezinta asa numita manta elastica. In acest scop, se taie mantaua in lungul ei. La rece, mantaua se monteaza cu joc mic, iar la cald, taietura preia dilatarile termice. Se utilizeaza taieturi in forma de T sau de P, prevazute la capete cu un orificiu care inlatura concentrarea tensiunilor si previne rizarea locala a camasii de cilindru (fig.20).

Fig. 19.

In cazul motoarelor navale lente, cu cap de cruce, pistonul se executa, de regula, din doua parti asamblate: cea superioara din otel, cea inferioara din fonta. Pistoanele sunt prevazute cu spatii speciale de racire, fiind inchise la partea inferioara. Acest lucru ofera posibilitatea utilizarii lor ca pompa de

baleiaj. Acestea nu sunt prevazute cu umeri de fixare a boltului, ele fiind asamblate rigid cu a. Fig. 20. b.

tija pistonului.

SOLICITARILE PISTONULUI

In timpul functionarii, capul pistonului este supus    Fig. 21.

actiunii fortei de presiune F_p, care se transmite prin umerii pistonului la bolt, imprimand grupului piston o viteza v_p. Componenta normala N aplica pistonul pe cilindru si produce forta de frecare F_f, care reprezinta cca. 70% din pierderile mecanice ale motorului. (fig. 21).

In contact cu gazele fierbinti, pistonul primeste un flux de caldura Q_p si se incalzeste. Cea mai mare parte din caldura primita (cca. 60.70%) se evacueaza la nivelul RPS (fig. 22). O buna parte din caldura

(20.30%) se evacueaza prin manta, iar restul se transmite gazelor din carter si uleiului care vine in contact cu partea interioara a capului sau a RPS (regiunea port segmenti), precum si boltului si bielei. In cazul pistoanelor racite, fluxul principal de caldura (peste 50%) este preluat de catre lichidul de racire.

Fig. 22. Fig. 23.

Echilibrul termic al pistonului (nivelul maxim de temperatura) depinde de regimul de functionare al motorului. Astfel, reducerea sarcinii si a turatiei micsoreaza nivelul de temperatura din piston, deoarece in primul caz se reduce doza de combustibil, iar in al doilea caz se reduce numarul de cicluri in unitatea de timp (v.fig. 23) in care este exemplificata aceasta dependenta pentru MAS.

Exista trei zone principale de temperatura:

a)      zona capului, unde se atinge temperatura maxima, care reduce rezistenta mecanica a materialului;

b)      zona primului segment, unde uleiul formeaza substante dure si lucioase (numite lacuri), care impiedica deplasarea libera a segmentului;

c)      zona RPS (regiunea port segmenti) si a mantalei, unde uleiul trebuie sa pastreze o capacitate portanta ridicata pentru suprafetele de reazem (segmenti-cilindru, manta-cilindru).

Fig. 24.

Diferenta de temperatura (diferenta dintre temperatura in functionare si cea la montaj sau la "rece") produce dilatarea pistonului. Pistonul se dilata radial si longitudinal (fig. 24).

Dilatarea longitudinala da pistonului o forma tronconica avand baza in dreptul capului. Dilatarea mai mare a capului si a RPS creeaza pericolul gripajului si compromite asezarea corecta a segmentilor fata de oglinda cilindrului. Concentrarea de material in dreptul umerilor pistonului produce o dilatare inegala. Mantaua ia o forma ovala cu axa mare a elipsei pe directia axei locasurilor boltului.

Pentru a preveni griparea sau blocajul pistonului in cilindru, din cauza dilatarilor, chiar si la regimul nominal de functionare se prevede intre cele doua organe un joc diametral D' (fig. 25. a), numit jocul la cald. La sarcini si turatii reduse si la mersul in gol, pistonul este "rece" si jocul diametral D (fig. 25. b), numit joc la rece sau joc la montaj, se amplifica de cateva ori, iar pistonul functioneaza cu zgomot. Totodata, datorita dilatarilor inegale ale pistonului, forma sa nu este perfect cilindrica ci tronconica (fig. 25. b), eliptica, in trepte sau in forma de butoi.

a Fig. 25. b Fig.26.

Odata cu cresterea incarcarii termice este afectata nu numai siguranta in functionare ci si uzura grupului piston. Evacuarea caldurii din piston devine astfel un deziderat de maxima importanta. Una dintre solutiile utilizate in aceasta directie consta in utilizarea unor materiale cu conductibilitate termica ridicata (fig.26.). O alta solutie consta in racirea fortata a pistonului care urmareste:

a)      reducerea temperaturii maxime a pistonului;

b)      reducerea temperaturii primului segment pentru evitarea blocarii sale;

c)      reducerea diferentelor de temperatura pentru micsorarea tensiunilor termice si a deformatiilor.

Tendinta generala de reducere a masei organelor de masini este accentuata in cazul pistoanelor atat pentru reducerea consumului de material cat si de diminuare a fortelor de inertie, rezultand posibilitatea cresterii turatiei si, implicit, a puterii motorului. Se poate proiecta un piston cu masa redusa daca:

a)      se micsoreaza grosimea peretilor - procedeu limitat din punct de vedere al rigiditatii si al rezistentei mecanice;

b)      se reduce inaltimea RPS - procedeu limitat de numarul si de inaltimea segmentilor;

c)      se scurteaza mantaua - procedeu limitat de valoarea admisibila a presiunii specifice;

d)     se utilizeaza aliaje cu densitate redusa - procedeu limitat de rezistenta mecanica scazuta a acestor materiale.

Pentru o buna echilibrare a motorului policilindric, pistoanele acestuia trebuie sa aiba mase identice.

MATERIALE DE FABRICATIE

Materialele pentru pistoane trebuie sa indeplineasca o serie de cerinte functionale si de durabilitate:

a)      rezistenta mecanica ridicata la temperaturi inalte si sarcini variabile;

b)      densitate redusa;

c)      conductibilitate ridicata;

d)     coeficient de dilatare liniara redus;

e)      calitati superioare antifrictiune la temperaturi mari si in conditii grele de ungere;

f)       rezistenta inalta la uzura abraziva, adeziva, coroziva si de oboseala;

g)      durabilitate mare.

Totodata trebuie indeplinite si cerintele de fabricatie:

a)      pret redus;

b)      usurinta la turnare sau matritare;

c)      usurinta la prelucrare prin aschiere.

Pistoanele se executa din aliaje de Al sau Fe, cu proprietati diferite. Aliajele de Al pot fi si pe baza de siliciu numite siluminiu, sau pe baza de Cu, numite si duraluminiu. Pistoanele din aluminiu se supun tratamentelor termice (calire si imbatranire), care le ridica durabilitatea si rezistenta mecanica.

O sporire a durabilitatii se obtine prin acoperirea pistonului, in special a mantalei, cu straturi protectoare care au calitatea de a mari aderenta uleiului la metal, de a imbunatati calitatile antifrictiune ale suprafetelor si de a fi rezistente la atacurile chimice. Se poate astfel realiza cositorirea, plumbuirea, grafitarea sau eloxarea, in functie de stratul protector ales.

Aliajele de Al se folosesc cu precadere la motoarele rapide avand avantajele:

a)      greutate specifica mai mica;

b)      conductibilitate termica mai buna;

c)      proprietati antifrictiune ridicata.

dar si dezavantajele:

a)      duritate mica, ceea ce reduce rezistenta la uzura;

b)      coeficient de dilatare liniara mare;

c)      caracteristici mecanice reduse.

Caracteristicile materialelor de constructie ale pistoanelor sunt prezentate comparativ in urmatorul tabel:

Tab.2.1. Caracteristicile materialelor de constructie ale pistoanelor

SEGMENTII; BOLTUL PISTONULUI

Segmentii au rolul de a asigura etanseitatea intre piston si cilindru, cit si de a colecta prin radere uleiul aflat in exces pe peretii cilindrului si de a transmite caldura de la piston la cilindru. Segmentii care au rol de etansare sunt montati la partea superioara a pistonului si se numesc segmenti de etansare sau de compresie, iar segmentii care se opun patrunderii uleiului in camera de ardere se numesc segmenti de ungere sau raclori.

In principiu, fiecare segment este un inel elastic, montat in canalul special amenajat in piston, etansarea realizindu-se prin deplasarea segmentului in jos de catre presiunea gazelor de ardere, care patrund si in canal, apasind pe partea interioara a segmentului, in sensul lipirii mai pronuntate de camasa cilindrului, marindu-i astfel gradul de etansare.

Segmentul prezinta o taietura transversala numita fanta (rostul de dilatare), care permite desfacerea sa la montarea in canalul din piston si functionarea elastica in cilindru; de asemeni fanta serveste si pentru compensarea deformatiilor care apar datorita dilatarii. In stare libera, fanta are o valoare de 0,1 - 0,14 D, iar in timpul functionarii de 0,004 - 0,005 D. Fanta poate fi dreapta (a), inclinata/oblica (b) sau in forma de "Z" (c) = figura de mai jos, stinga.

Numarul segmentilor care se monteaza pe un piston este in functie de ciclul de functionare al motorului, de diametrul cilindrului si de tipul aprinderii. La montare, pentru imbunatatirea etanseitatii, fantele segmentilor sunt deplasate una fata de alta cu un anumit unghi (90 - 180 ), fantele situindu-se una sub alta pe aceeasi linie vor permite patrunderea gazelor in carter si a uleiului in camera de ardere.

Deci, in stare libera, diametrul segmentului este mai mare decit diametrul interior al cilindrului. La montaj, datorita fantei, segmentul, comprimindu-se, este aplicat etans pe suprafata cilindrului. Segmentii, lucrind in conditii deosebite de presiune si temperatura, pe linga calitatile de rezistenta mecanica, trebuie sa uzeze cit mai putin suprafata de lucru a cilindrului.

Sub actiunea propriei elasticitati si a ansamblului fortelor exterioare, segmentul este aplicat pe peretele cilindrului si pe unul dintre flancurile canalului, reducindu-se astfel la minimum sectiunea libera de scurgere a gazelor spre carter. Efectele laminarii succesive care se produce la scurgerea prin interstitiile ramase libere, precum si sectiunea redusa a interstitiilor, determina scaparea unei cantitati reduse de gaze spre carter. Jocul redus dintre piston si cilindru si prezenta peliculei de ulei pe cilindru si in canalele segmentilor contribuie la realizarea etansarii.

Amplificarea scaparilor de gaze datorita etansarii imperfecte are efecte insemnate: reducerea puterii si cresterea consumului specific efectiv de combustibil, accelerarea alterarii uleiului din carter, supraincalzirea pistonului si a segmentilor, intensificarea uzurii acestora si a cilindrului, cocsarea uleiului in canale pina la blocarea segmentilor in canale si pierderea elasticitatii lor, griparea segmentului sau pistonului.

a

b

c

-) forme de fante ale segmentilor    -) efectul de pompare al segmentilor

Intrucit pistonul este introdus in cilindru cu un anumit joc, in timpul funcionarii motorului canalele pentru segmenti se umplu cu ulei. In timpul deplasarii in cilindru, pistonul este apasat alternativ pe suprafata interioara a cilindrului de catre forta normala a gazelor, segmentii fiind astfel deplasati radial intr-o anumita masura. Ca urmare a acestor mici deplasari laterale alternative, intre segmenti si canalele lor patrunde ulei, care, la miscarea pistonului in jos si in sus, va trece din canal in canal, fiind impins intr-un curent ascendent pina ajunge in camera de ardere. Acest proces poarta numele de efect de pompare al segmentilor = figura de mai sus, dreapta.

Deoarece efectul de pompare poate sa conduca la un consum ridicat de ulei, este necesara diminuarea sa prin masuri constructive. Acest lucru este posibil prin utilizarea unor segmenti avind practicata o degajare pe suprafata activa la marginea inferioara.

Ansamblul segmentilor de compresie montati la un piston functioneaza ca un sistem de etansare cu labirinti. Cantitatea de gaze scapate in carter este determinata de marimea sectiunii libere de scurgere si a volumelor formate intre segmenti, de pozitia lor reciproca si de presiunea gazelor din cilindru.

Efectul de etansare realizat de ansamblul segmentilor este evidentiat de scaderea presiunii dintre spatiul de deasupra primului segment si cel de sub ultimul segment. La motoarele rapide, eficienta maxima, in conditii normale de functionare, apartine primului segment, scazind apoi pentru ceilalti segmenti in ordinea montajului lor.

Caderea maxima de presiune, deci efectul de etansare, cel mai important, se realizeaza la scurgerea gazelor prin interstitiile dintre segment-cilindru si dintre segment-flancul canalului. De aceea, o influenta esentiala asupra etansarii o are pozitia segmentului in raport cu cilindrul si flancurile canalului.

Fortele care actioneaza asupra unui segment care etanseaza normal, fiind aplicat pe cilindru si pe flancul inferior al canalului sunt:

in directia axiala: presiunea gazelor avind o valoare mai mare deasupra segmentului si o valoare mai mica sub acesta, in spatiul dintre piston si cilindru; forta de inertie a segmentului, determinata de participarea segmentului la miscarea pistonului, dirijata in sensul invers deplasarii pistonului pe prima parte a cursei si in acelasi sens pe ultima parte a cursei; forta de frecare dintre segment si cilindru, dirijata intotdeauna in sensul invers deplasarii pistonului si forta de greutate.

in directia radiala: forta elesticitatii proprii care apasa segmentul pe cilindru (segmentul fiind deformat la montarea in cilindru); presiunea gazelor din spatele segmentului si forta de frecare pe flancul canalului, in cazul deplasarii radiale a segmentului in cazul deplasarii radiale a segmentului, dirijata in sensul invers deplasarii.

La motoarele in patru timpi, fortele axiale tind sa aplice segmentul in mod continuu pe flancul inferior al canalului in cursele de compresie, destindere si evacuare si pe flancul superior in cursa de admisie.

La motoarele in doi timpi, fortele axiale aplica segmentul numai pe flancul inferior.

In perioada in care se intrerupe contactul segmentului cu unul dintre flancuri, pina la trecerea pe flancul opus al canalului, etansarea se inrautateste mult, gazele scurgindu-se prin sectiunea marita care se formeaza.

In afara miscarii relative axiale in canalul portsegment, segmentul efectueaza in cursul functionarii si miscari radiale in canal, sub influenta abaterilor formei geometrice a cilindrului. Aceste abateri sunt de natura tehnologica (provenind din erorile de prelucrare si deformatiile produse la montare) si de natura functionala (dilatarile produse de incalzirea neuniforma), accentuindu-se treptat prin uzura neuniforma a cilindrului. Segmentul, care tinde sa urmareasca permanent, in deplasarea sa axiala, suprafata cilindrului, se stringe sau se largeste continuu, rezultind miscari radiale corespunzatoare in canal. Abaterile de forma ale cilindrului impiedica totodata asezarea corecta a segmentului pe intreaga suprafata exterioara, inrautatind astfel etansarea.

Deplasari relative suplimentare ale segmentului in raport cu flancurile canalului sunt produse de miscarile de rasturnare si basculare ale pistonului. Daca pistonul se si deformeaza , segmentul capata o pozitie inclinata fata de cilindri (a) sau se deformeaza (b), inrautatindu-se contactul cu flancul canalului. Contactul imperfect dintre segment si suprafata de reazem poate fi determinat si de uzura anormala a fetei exterioare a segmentului (c), datorita miscarilor de rasturnare si basculare ale pistonului sau de lipsa de planeitate si paralelism a fetelor superioara si inferioara ale segmentului si ale flancurilor canalului, datorita unei executii imperfecte, uzurii sau deformarii pistonului (d).

cilindru piston

segment

a. b. c. d.

-) contact imperfect intre segment si suprafata de reazem

Pierderile de gaze sunt influentate de: marimea sectiunii libere de trecere; de numarul de segmenti; de turatia motorului si de marimea celorlalte sectiuni de scurgere si anume jocul piston-cilindru si jocul axial al segmentului in canal.

In domeniul turatiilor ridicate de functionare a motorului, incercarile au evidentiat o limita, de la care pierderile de gaze sporesc considerabil putindu-se ajunge la o situatie similara cu aceea in care pistonul ar functiona fara segmenti. Pierderea eficacitatii segmentilor se datoreaza intreruperii contactului cu cilindrul si sporirii numarului de alternari intre flancurile canalului, in urma modificarii raportului dintre fortele care actioneaza asupra segmentului. Aceste fenomene se datoresc vibratiei segmentilor si au drept rezultat o sporire considerabila a sectiunii medii de scurgere a gazelor in unitatea de timp. Vibratia segmentului este favorizata de factorii care duc la micsorarea presiunii de pe fata superioara (intre segment si partea de sus a canalului) sau spatele segmentului (intre segment si fundul canalului = fata interioara), sau care fac ca presiunea pe fata exterioara (intre segment si camasa cilindrului) sa devina superioara presiunii de pe fata interioara.

Un aspect important al functionarii segmentilor este temperatura ridicata de functionare, in special a primului segment care uneori depaseste 200 C. Perfectiunea etansarii are o mare influenta asupra temperaturii de functionare; intensificarea scurgerii gazelor determina supraincalzirea segmentului, care isi pierde elasticitatea, putindu-se produce ulterior ruperea sa. Totodata se intensifica transformarile chimice ale uleiului in interiorul si exteriorul canalului, conducind la formarea de depuneri, care duc la blocarea segmentului in canal; segmentul pierde astfel posibilitatea de etansare.

Datorita conditiilor specifice de functionare, segmentii reprezinta, la majoritatea motoarelor cu functionare normala, organele cu durabilitate minima. Uzura segmentilor decurge printr-un mecanism combinat adeziv, abraziv, corosiv si prin oboseala superficiala, si se manifesta pe suprafata exterioara (in contact cu cilindrul) si pe fetele laterale (in contact cu flancurile canalului). In comparatie cu mantaua pistonului, uzura adeziva a segmentilor este mai intensa, intrucit presiunea si temperatura de lucru sunt mai ridicate, iar cantitatea de ulei care ajunge pina la segmentii de compresie este mai redusa. Intensitatea uzurii adezive este maxima in jurul punctelor moarte, unde este inevitabila intreruperea filmului de ulei. La pornirea motorului rece, datorita diluarii uleiului ramas pe cilindru cu combustibil condensat, cuplul cilindru-segmenti functioneaza in conditii apropiate de frecarea uscata, pina la restabilirea conditiilor normale de ungere. Uzura cea mai importanta se inregistreaza la primul segment de compresie, care este apasat pe cilindru cu presiunea maxima si functioneaza la temperatura cea mai ridicata; de aceea, si uzura cilindrului, in absenta abraziunii si a coroziunii, este maxima la nivelul primului segment, in pozitia PMI a pistonului.

Uzura abraziva, indiferent de calea de acces in motor a particolelor abrazive, actioneaza cu maxima intensitate asupra subansamblului cilindru-segmenti-canale portsegmenti, unde exista jocurile minime in functionare. Uzura corosiva este importanta, daca se formeaza produsi corosivi, in proportie insemnata.

In conditiile normale de functionare, suprafetele laterale ale segmentului isi pastreaza prin uzura planeitatea si au un aspect neted, lucios; suprafata exterioara, in aceleasi conditii, are tot un aspect neted, uniform. Uzura suprafetei exterioare decurge insa neuniform pe contur, chiar daca forta elasticitatii proprii apasa segmentul cu o presiune egala pe contur, uzura maxima inregistrindu-se in zona deschiderii (rostului de dilatare = fantei). Prin uzura suprafetei exterioare se micsoreaza treptat presiunea radiala exercitata de segment sub actiunea elasticitatii proprii; reducerea cea mai mare a presiunii apare la fanta, unde uzura este maxima.

Pentru reglarea cantitatii de ulei de pe peretele cilindrului care ajunge la nivelul partii superioare a pistonului, se prevad unul sau doi segmenti de ungere (raclori), montati in canale portsegmenti, dedesubtul segmentilor de compresie; cel de-al doilea segment de ungere este plasat in general la partea inferioara a mantalei.

Uleiul ajuns pe peretele cilindrului deasupra pistonului arde in contact cu gazele fierbinti din cilindru; sub acest aspect este de dorit sa se reduca la minimum uleiul prezent la partea superioara a pistonului. Pe de alta parte, trebuiesc realizate insa, conditii de ungere cit mai favorabile segmentilor de compresie. Segmentii de ungere trebuie sa asigure prin urmare necesarul de ulei al partii superioare a pistonului, mentinind totodata consumul de ulei al motorului la valori admisibile (0,8 - 2,0 g/CPh).

Eficienta fiecarui segment de ungere depinde de presiunea exercitata pe cilindru, de profilul muchiilor active si de posibilitatea evacuarii uleiului colectat. Bataia si bascularea pistonului in cilindru creeaza conditii defavorabile de functionare a segmentilor, care se reflecta in cresterea consumului de ulei al motorului.

a

a) b) c)

-) Forme constructive ale segmentilor de compresie

Segmentii de compresie au in mod uzual formele costructive prezentate in figura de mai sus. Forma dreptunghiulara, cu muchii ascutite sau putin rotunjite (a), este cea mai simpla. Pentru reducerea duratei rodajului se mareste presiunea initiala de lucru, executind segmentii cu o usoara conicitate, cu un unghi (a) de 20' la 2 (b). Segmentul se monteaza cu conicitatea in sus, in cazul invers observindu-se o crestere puternica a consumului de ulei. Segmentul in forma de pana (c) prezinta o tendinta mult mai redusa la blocarea in canal (Stratul de depuneri format in canal este supus prin miscarile executate de segment unor tensiuni de intindere, astfel ca este rupt si farimitat).

Segmentii de ungere (raclori) se executa in forme mai variate decit segmentii de compresie.

Segmentul (a) din figura de mai jos are suprafata exterioara partial conica, asigurind o slaba actiune de radere a uleiului la deplasarea in sus. Prin executarea unei muchii la partea inferioara in unghi ascutit (b) se obtine un efect mult mai energic de radere a uleiului. Segmentul (c) din figura are doua muchii active.

a) b) c)

-) Forme constructive ale segmentilor de ungere (raclori)

O raspindire destul de mare au capatat segmentii la care apasarea sub influenta propriei elasticitati este completata sau inlocuita prin apasarea exercitata de un element elastic separat, numit expandor, care se monteaza in spatele segmentului.

Materiale: Conditiile cele mai importante care se pun materialelor folosite la fabricarea segmentilor sunt:

a)      rezistenta la uzura prin aderenta, abraziune si oboseala superficiala, in conditiile unor presiuni ridicate si variabile, la temperaturile din timpul functionarii si cu frecare la limita;

b)      rezistenta la coroziune;

c)      rezistenta mecanica ridicata la ruperea prin incovoiere si compresiune, limita de elasticitate ridicata, duritate superioara a suprafetelor de lucru si mentinerea acestor calitati la temperaturile de functionare;

d)     buna conductivitate termica, pentru coborirea temperaturii de lucru;

e)      calitati de rodaj.

Materialul frecvent utilizat pentru segmenti este fonta speciala, cu structura perlito-sorbitica cu grafit lamelar, care prezinta proprietati antigripare (grafitul asigura adsorbtia uleiului si prezinta proprietati antifrictiune) si are o rezistenta la oboseala ridicata. Fonta nealiata este caracterizata insa printr-o reducere insemnata a elasticitatii la cresterea temperaturii. Pentru a preveni acest defect, segmentii destinati functionarii la presiuni si temperaturi ridicate se fabrica din fonte speciale, aliate cu Cr, Ni, Mo, W.

O metoda folosita pe scara larga pentru marirea rezistentei la uzura a segmentilor, in special a primului segment de compresie, este acoperirea suprafetei de contact cu cilindrul cu un strat de crom poros. In acest mod se obtine o duritate ridicata a suprafetei la temperaturile de functionare, rezistenta inalta la uzura corosiva, capacitatea de inmagazinare a uleiului si, in conditiile frecarii uscate, coeficient de frecare redus. Prin cromarea primului segment se micsoreaza si intensitatea uzurii cilindrului.

Pentru imbunatatirea proprietatilor de rodare se executa acoperiri cu o grosime de 3-5 mm cu staniu, cadmiu, cupru sau se practica fosfatarea superficiala.

In ultimii ani cunosc o raspindire tot mai larga segmentii fabricati din lamele de otel de arc (avind o rezistenta mecanica si o elasticitate superioara fontei), cu suprafata de lucru cromata poros.

SEGMENTUL

Rolul functional

Segmentii pistoanelor indeplinesc, in principal, functia de etansare a camerei de ardere. Segmentii care impiedica scaparea gazelor din camera de ardere spre carter se numesc segmenti de comprimare, iar cei care impiedica trecerea uleiului spre camera de ardere se numesc segmenti de ungere.

Segmentii de comprimare indeplinesc o functie suplimentara: evacueaza o mare parte din caldura preluata de piston catre cilindru. La randul lor, segmentii de ungere indeplinesc si ei o functie suplimentara: dozeaza si distribuie uniform uleiul pe camasa de cilindru. In situatia in care ei nu indeplinesc decat functia de radere a peliculei de ulei, se mai numesc si segmenti raclori.

Fig.27.

Constructia segmentului

Segmentul este de forma unui inel taiat. Distanta s dintre capete se numeste rost. Dimensiunea caracteristica a sectiunii dupa directia radiala se numeste grosime radiala a, iar cea dupa directia axiala se numeste inaltimea h. In stare montata, diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D, iar diametrul interior este, evident,.

Fiecare piston se echipeaza cu doi segmenti sau mai multi de comprimare si cu unul sau doi segmenti de ungere. In cazul utilizarii a doi segmenti de ungere, cel inferior poate fi amplasat si pe manta, sub bolt.

Segmentii se monteaza in canalele practicate pe periferia pistonului. Cerinta fundamentala pentru realizarea etansarii este

este ca segmentul sa se aseze perfect cu suprafata S_l pe oglinda cilindrului si cu    

suprafata frontala S_f pe flancul inferior f_i sau inferior f_s al canalului de piston (fig. 28.). Pentru a asigura contactul, segmentul trebuie sa dezvolte o presiune pe cilindru, din care cauza trebuie sa fie elastic. In acest scop, segmentul in stare libera are diametrul exterior D_o mai mare decat diametrul exterior in stare montata D (fig.27.). De aici rezulta ca rostul in stare libera s_o trebuie sa fie mai mare decat rostul in stare montata s_m. Ca urmare, in fibrele interioare apar reactiuni elastice, datorita carora segmentul dezvolta pe cilindru o presiune numita presiune medie elastica. Elasticitatea segmentului se opune tendintei de intrerupere a contactului, provocata de deformatiile de montaj, termice si de uzura suferita de cilindru. De aceea segmentul se monteaza in canal cu un joc axial D_a si un joc radial D_r

Din punct de vedere constructiv, segmentii se impart in doua categorii:

a)      segmentii cu elasticitate proprie;     Fig.28.

b)      segmentii cu expandor.

Segmentii de comprimare cu elasticitate proprie au o mare varietate de tipuri constructive. Segmentul cel mai simplu este cel realizat cu sectiune dreptunghiulara (fig. 29.a). Muchiile ascutite racleaza energic pelicula de ulei, iar perioada de rodaj este mai mare. Aceste dezavantaje se inlatura prin utilizarea unor segmenti cu muchia laterala inclinata (fig.29.b), cu degajari pe suprafata laterala (fig. 29.c) sau cu muchiile tesite (fig. 29.d), forma cea mai avantajoasa fiind cea bombata    (fig. 29.e).

Fig. 29.

O solutie eficienta contra blocarii segmentului o constituie segmentul trapezoidal (fig. 29 f. si g). Durabilitatea se mareste acoperind suprafata laterala a segmentului cu un strat protector de crom sau molibden (fig. 29. h, i si j) sau introducand in aceasta suprafata insertii de cositor, bronz sau oxid de fier cu grafit. (fig. 29. k si l).

Segmentii de ungere se grupeaza in doua clase: segmenti cu sectiune unitara sau neperforati (fig. 30. a,b si c) si segmenti cu sectiune radiala perforata (fig. 30. d si e). Numarul si dimensiunile orificiilor, precum si dimensiunile spatiului de acumulare a uleiului sub segment determina eficienta segmentului.

Segmentii cu expandor au montat in spatele lor, in canal, un element elastic, care aplica segmentul pe oglinda cilindrului cu o presiune uniform distribuita. Sub actiunea expandorului, se asigura o presiune sporita de contact, ceea ce impune

utilizarea lor indeosebi la segmentii de ungere.

Fig. 30

Fig. 31.

Capetele segmentilor comporta prelucrari diferite, cea mai simpla fiind taietura dreapta (fig. 31. a). Experienta arata ca scaparile nu sunt practic influentate de pozitia taieturii pe piston, chiar atunci cand toate rosturile sunt pe aceeasi generatoare. De aceea, rotirea segmentului nu este impiedicata.

In schimb la motoarele in 2t exista pericolul agatarii capatului segmentului de marginile ferestrelor cilindrului si, de aceea, ele se blocheaza intr-o pozitie fixa in canale cu ajutorul unor stifturi montate in fundul canalelor de piston.

Solicitarile segmentilor

Alaturi de solicitarile mecanice produse de reactiunile elastice din segment, acesta mai este supus la insemnate solicitari termice. Dintre toti segmentii, cel superior (dinspre pmi) are nivelul termic cel mai ridicat, deoarece vine in contact cu gazele fierbinti si cu portiunea cea mai calda a pistonului. De aceea, el este numit si segmentul de foc.

Temperatura segmentului variaza radial, avand valoarea minima pe suprafata de contact, pe directia axiala temperatura segmentului fiind practic constanta. Urmarind deplasarea fluxului termic prin segment (fig 32), se observa ca un rol deosebit il joaca suprafetele de contact ale Fig. 32.

segmentului si deci, variatia convenabila a caldurii evacuate din piston se obtine modificand cele doua dimensiuni principale ale segmentului, a si h.

Procesul de uzura a segmentului are trei aspecte fundamentale:

a)      uzura adevarata sau de contact;

b)      uzura abraziva;

c)      uzura coroziva.

Cazurile de uzura prin oboseala sunt foarte rare.

Fata de pozitia optima a segmentului in canal (fig. 33. a), se pot ivi abateri de provocate de dezaxarea pistonului in cilindru datorita jocurilor (fig. 33. b si c), de inclinarea flancurilor canalului fata de planul normal de la axa cilindrului (fig. 33. d),

Fig. 33.

de dilatarea sau uzarea cilindrului (fig. 33. e) sau de toate acestea la un loc. Deformarea segmentului si uzura lui (fig. 33. f si g) impiedica, de asemenea, contactul perfect pe suprafata de lucru. Se intelege ca asemenea abateri, micsorand suprafata de contact, reduc si eficienta etansarii.

Materiale de fabricatie

Materialul pentru segmenti trebuie sa posede urmatoarele proprietati:

a)      calitati bune de alunecare, pentru a atenua pierderile mecanice in conditiile frecarii semifluide si pentru a preveni gripajul;

b)      duritate ridicata, pentru a prelua sarcinile mari de contact si pentru a rezista la uzura coroziva si abraziva;

c)      rezistenta la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice si electrochimice;

d)     rezistenta mecanica la temperaturi relativ mari, pentru a realiza un segment usor, de dimensiuni reduse;

e)      modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari, invariabil in timp, pentru a preveni vibratiile;

f)       calitati bune de adaptabilitate rapida la forma cilindrului.

Nu exista materiale care sa satisfaca simultan cerintele enumerate. Otelul este impropriu, intrucat nu poseda calitati satisfacatoare de alunecare, fiind folosit doar cand sunt necesare rezistente mecanice sporite. Cel mai des intalniti sunt segmentii din fonta. Fonta trebuie sa contina, ca orice material antifrictiune, doua faze: o faza dura, cu rezistenta mecanica inalta, pentru a prelua sarcinile de contact si o faza moale, cu rezistenta mica la deformatia plastica, ceea ce asigura proprietatea antigripanta a materialului. Fonta pentru segmenti care satisface bine cerintele unui material antifrictiune este fonta cenusie perlitica, cu grafit lamelar.

La MAC-uri supraalimentate, primul segment suporta sarcini termice ridicate si, de aceea, se utilizeaza frecvent segmenti de otel. Pentru a imbunatati comportarea la alunecare, otelul se grafiteaza.

O cale de marire a durabilitatii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi metalice superficiale, care sunt de doua categorii: unele maresc rezistenta la uzura in timpul functionarii, altele imbunatatesc rodajul. Protejarea segmentului la uzura coroziva se asigura uneori prin acoperirea cu un strat superficial de fosfor.

AXUL PISTONULUI (BOLTUL)

Rolul funtional

Axul pistonului (boltul) este un organ intalnit la motoarele fara cap de cruce, la care biela este articulata direct de piston, deci la motoarele rapide si semirapide. El transmite forta datorita presiunii gazelor de la piston la biela (miscarea plan - paralela).

Constructia boltului

Pentru ca biela sa poata oscila fata de axa cilindrului, boltul se monteaza cu joc fie in piston, fie in biela sau cu joc in ambele organe (boltul flotant).

Cand boltul este fix in biela, el are o miscare continua in umerii pistonului si, pentru preintampinarea uzurii boltului sau a umerilor pistonului, se prevad bucse de bronz. Cand boltul este flotant (cazul cel mai des intalnit), el este antrenat intr-o miscare alternativa de rotatie de catre forte de frecare variabile, iar dupa un anumit numar de cicluri motoare executa o rotatie completa. De aceea, uzura acestui tip de bolt este mai mica in comparatie cu a celorlalte tipuri constructive.

Forma boltului este impusa din considerente de masa, de rigiditate, de fabricatie. Forma tubulara asigura o masa redusa si o rezistenta corespunzatoare. Boltul cu sectiune constanta (fig. 34. a) este o solutie tehnologica simpla. La motoarele rapide, grosimea peretilor se reduce mult. Pentru marirea rigiditatii boltului acesta se confectioneaza sub forma unui solid de egala rezistenta (fig. 34. b), dar solutia creeaza dificultati tehnologice.

Fig. 34.

Intrucat deformatia maxima de incovoiere apare in sectiunea centrala, iar cea de ovalizare se produce intr-o zona centrala reprezentand cca.20% din lungimea boltului, o rigiditate suplimentara se obtine prin prelucrarea cilindrica in trepte a suprafetei interioare (fig. 34. c si d), ceea ce este avantajos si pentru forfecare.

In ceea ce priveste montajul boltului, solutia fixarii sale in piston si a montarii libere in piciorul bielei elimina ungerea boltului in locasurile din piston, dar produce o concentrare mare de tensiuni la marginile umerilor si mareste masa imbinarii.

Montajul fix in biela prezinta avantajul micsorarii dezaxarii bielei si, implicit, reducerea intensitatii zgomotului in functionare. Montajul flotant al boltului, desi mareste dezaxarea bielei, reduce uzura boltului in umerii pistonului. In acest caz, insa, apare posibilitatea deplasarii axiale a boltului, producandu-se rizuri pe oglinda cilindrului. Miscarea axiala a boltului se limiteaza pe doua cai. Metoda cea mai raspandita consta in fixarea unor inele de siguranta in santurile practicate in

umerii pistonului (fig. 35. a). Inelele de siguranta impiedica     Fig. 35.

trecerea frontala a uleiului pe suprafata boltului din locas. Acest dezavantaj poate fi inlaturat prin intermediul unor capace sferice montate la exterior (fig. 35. b), confectionate din material usor si moale (aliaj de Al sau Mg).

Solicitarile boltului

Boltul dezvolta forte de inertie care incarca organele mecanismului motor. De aici rezulta necesitatea ce masa boltului sa fie cat mai redusa. Boltul lucreaza in conditii grele de solicitare mecanica, fiind solicitat de forta de presiune a gazelor si de forta de inertie dezvoltata de piston.

Intr-o sectiune transversala, apar solicitari de incovoiere care provoaca deformarea boltului dupa axa longitudinala (fig. 36. a).    

Fig. 36.

Solicitari de incovoiere apar si in sectiunea longitudinala, solicitari care deformeaza boltul in plan transversal - deformarea de ovalizare (fig. 36. b).

Primele solicitari produc ruperea boltului in planul transversal, iar celelalte in plan longitudinal.

In prima faza a arderii, fortele de presiune inregistreaza cresteri rapide care produc solicitarea prin soc. De asemenea, caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseala al boltului.

Experienta arata ca deformarea de ovalizare a boltului produce si ruperea piciorului bielei, iar incovoierea boltului poate produce si ruperea locasurilor boltului din piston.

Materialele de fabricatie

Materialele pentru bolt trebuie sa fie tenace pentru a rezista la solicitarile prin soc. Un material tenace are insa o deformare mare - ceea ce nu corespunde solicitarilor de incovoiere si oboseala. Se obtin solutii de compromis daca se asigura o duritate ridicata stratului superficial si o tenacitate ridicata miezului.

Materialele care satisfac cel mai bine aceste conditii sunt OLC si OLA (elemente de aliere: Cr, Ni, Mn, Mo), cu continut redus de carbon (0,12.0,35%). Prin tratamentul termochimic de cementare se aduce duritatea suprafetei la nivelul dorit. Acest procedeu este scump si el se inlocuieste adeseori cu calirea superficiala pe o adancime de 1,0.1,5mm.

Boltul (Axul pistonului) = este organul de legatura dintre piston si biela.

La motoarele rapide, boltul este de forma tubulara, functionind cu joc atit in locasurile din piston, cit si in piciorul bielei (bolt flotant) sau mobil numai in piston si fix in piciorul bielei. Primul tip de montaj este cel mai folosit, intrucit conduce la uzuri mai reduse si mai uniforme si se executa cu mai multa usurinta. Axul pistonului trebuie insa asigurat in acest caz impotriva deplasarii axiale, evitindu-se contactul cu cilindrul. Asigurarea se face in general cu sigurante speciale de sirma. Montajul axului fix in piciorul bielei este folosit la unele motoare, oferind posibilitatea maririi lungimii locasurilor din piston si reducerii corespunzatoare a diametrului.

Boltul pistonului este incarcat de fortele variabile de presiune si de inertie ale pistonului, pe care le transmite bielei; la motoarele rapide, cu jocuri marite in locasurile de piston si la piciorul bielei, fortele actioneaza cu un pronuntat caracter de soc. Sub influenta acestor forte, boltul pistonului este solicitat la incovoiere si la ovalizare (solicitare mai pronuntata la bolturile cu pereti subtiri), deformindu-se. In cazul unei rezistente insuficiente, solicitarea la incovoiere provoaca fisurarea transversala, iar aplatisarea duce la fisurarea longitudinala.

Caldura transmisa de piston determina incalzirea boltului pina la o temperatura care poate atinge 120 C.

Conditiile de ungere in locasul din piston si in piciorul bielei sunt determinate de miscarea lenta de oscilatie pe care o efectueaza axul pistonului si oscilatia bielei, de presiunea de contact ridicata, de aportul discontinuu de ulei si de temperatura atinsa in functionare; sub influenta acestor conditii se realizeaza in general ungerea cu caracter semilichid. Trebuie observat ca variatia sensului fortei rezultante transmise boltului de catre piston este favorabila pentru ungere; boltul se deplaseaza periodic in limitele jocului existent in locas sau piciorul bielei, realizind un efect de pompare a uleiului.

Considerind conditiile specifice de functionare, constructia boltului trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte: 1) masa redusa, impreuna cu rezistenta necesara la solicitari variabile si cu soc si rigiditate suficienta;

2) rezistenta la uzura.

Forma tubulara a boltului este favorabila pentru asigurarea rezistentei necesare la incovoiere si ovalizare, cu o masa redusa.

Rezistenta la uzura a axului pistonului se apreciaza prin valoarea presiunii conventionale de contact in locasurile din piston si in piciorul bielei.

Locasurile din piston au o rezistenta mai redusa la uzura decit piciorul bielei, intrucit ungerea se realizeaza in conditii mai defavorabile, iar materialul pistonului (aliajul de aluminiu) este mai putin rezistent. De aceea, presiunea de contact la piston are intotdeauna valori mai reduse decit presiunea de contact la piciorul bielei.

Deformatia maxima prin aplatisare trebuie sa nu depaseasca aproximativ jumatate din jocul existent intre locasurile din piston sau piciorul bielei si bolt.

Realizarea unui joc normal in timpul functionarii impune totodata considerarea diferentelor dintre temperaturile lor de functionare si dintre coeficientii de dilatare (la pistoanele din aliaj de aluminiu); la ajustajul din piciorul bielei, aceste diferente sunt neinsemnate.

Boltul pistonului se executa din oteluri cu rezistente ridicate la rupere prin oboseala si la soc si care prin tratament termic sau termochimic pot atinge duritatea superficiala inalta care asigura rezistenta la uzura.

Pentru marirea rezistentei la uzura se asigura prin prelucrare o rugozitate redusa a suprafetei de lucru (circa 2 mm); suprafata interioara se executa de asemenea cu o rugozitate relativ scazuta (circa 25 mm) si eventual se durifica superficial pentru marirea rezistentei la oboseala.