KONSTUKCE PÍSTU Namáhání pístu mechanickým a tepelným zatížením závisí především na režimu motoru, velikosti vrtání válce a zvolených konstrukčních rozměrech. HLAVNÍ ROZMĚRY PÍSTŮ Průměr Kompresní výška HK (s délkou ojnice a poloměrem KH určuje stavební výšku motoru Délka pístu HK H Snaha o maximální kompaktnost s minimální hmotností vede k malé kompresní výšce: a) Písty s plochým dnem H K H FS H RF b) DB H RB 2 Písty se spalovací komůrkou D H K H M SB H N B 2 Veličiny Zážehové motory Vznětové motory Kompresní výška 0,36 0,65 Hk /D (0,30 0,42) (0,55 0,75) Celková výška 0,7 1,05 h /D (0,6 0,8) (0,95 1,15) Výška pláště 0,48 0,72 hp /D (0,44 0,52) (0,63 0,81) Výška hlavy k 1.kr. 0,06 0,12 HFS /D (0,04 0,08) (0,10 0,14) Poloha nálitků 0,31 0,35 a1 /D (0,27 0,34) (0,33 0,37) Průměr čepu 0,26 0,37 DB /D (0,24 0,28) (0,34 0,40) Hmotnost 0,6 1 (0,4 0,8) (0,7 1,2) mp /D3 [g/cm3] 1
HMOTNOSTI PÍSTŮ Trend u zážehových motoru (rychloběžných) vede k tzv. lehkým konstrukcím. Měřítkem lehkosti pístu je faktor K, ten fyzikálně odpovídá hustotě (g/cm3). m K 3 D Faktor K ZM (píst bez komůrky) 0,4 0,5 VM (píst komůrkou) 0,7 1,1 Vysoké hodnoty u VM odpovídají vyššímu zatížení, dvoudílné písty s ocel hlavou. Cesta snižování hmotnosti v důsledné optimalizaci MKP, využití nových technologii a kompozitních materiálů. Vývoj faktoru K SCH
1) DNO PÍSTU Tvarování dna pístu ovlivňuje spalovací komůrka. Teplota dna max. 250-350 C Moderní Al-píst s vypouzdřením uložení pro PČ a eloxovaným dnem pro vznětové motory. 3
2) VÝŠKA HLAVY NAD 1. PK podmínkou je, aby v drážce 1. PK byla teplota max. 220 C (zapékání mazacího oleje, ztráta pohyblivosti PK a jeho funkce) Vůle mezi touto částí pístu a válcem musí vyloučit kontakt (i při klopení a tepelných deformacích) c) Malý škodlivý prostor, minimalizace PM, velká vůle zabraňuje napečení karbonu, karbon tvoří lámavou vrstvu - Dnes nepoužívaná H1.kr (4 8)%D ZM (10-14)%D - VM 4
2) VÝŠKA HLAVY NAD 1. PK (příklad podmínkou je chlazení vysoko uloženého PK) 5
3) POLE DRÁŽEK PRO PK Tvoří těsnící systém PK-drážka- válec (těsní: - spaliny ze spalovacího prostoru do klikové skříně profuky - mazací olej v opačném směru spotřeba oleje, emise PM) Fa = FaPlynů ± Fs ± Ft Fa Fa při kladné velikosti těsní na spodním boku, v HÚ při výměně obsahu válce mění smysl (krátkodobě je těsnost přerušena) 6
3) POLE DRÁŽEK PRO PK Těsnící systém PK-drážka- válec Z firemních materiálů KolbenSchmidt jsou patrné pohyby PK, tlaky před PK, a profuky plynů. 7
3a) TĚSNÍCÍ ÚČINEK MEZI BOKY PK A DRÁŽKY PÍSTU FaPlynů silou Fa = FaPlynů ± Fs ± Ft p1 p2 d a 2 Ft Frv FrPlynů Frv 2 Ftg FrPlynů h p1 p2 d a h 2 a d Fa 8
3) POLE DRÁŽEK PRO PK 3b) těsnící účinek mezi kluznou plochou PK a vložkou převládá hledisko: u PK profilu těsnící plochy, záběh u V - jakost a drsnost povrchu, makrogeometrie 3c) těsnící účinek zámku pístního kroužku (nezbytná vůle 0,1 mm v zahřátém stavu) POZOR na sražení drážky a PK 9
POŽADAVKY NA DRÁŽKY PRO PK GEOMETRICKÁ: - drsnost u Al -0,1-0,4 Ra - sklon boků drážky - vůle axiální ZM (1PK: 0,03-0,05mm, 2PK: 0,02-0,04mm) VM (1PK: 0,06-0,08mm, 2PK: 0,04-0,06mm) - vůle radiální ZM (0,8-1,0mm) VM (1,3-1,4mm) - rádius drážky těsnící PK: 0,3-0,5mm stírací PK: 1,0mm Sklon stoupající (zlepšuje stírání oleje) Sklon visící (vznik i v důsledku tepelných deformací korekce 4-8 10
POŽADAVKY NA DRÁŽKY PRO PK OPOTŘEBENÍ DRÁŽKY NOSIČE PK Mechanický otěr ploch drážky je způsoben radiálním pohybem PK způsobený sekundárními pohyby pístu. Axiální pohyby PK v důsledku tlaků plynů, setrvačných a třecích sil způsobují vytloukání drážky. Na opotřebení působí nedostatek mazacího oleje, brusné cizí částice, zbytky spáleného paliva a oleje. Naproti tomu vysoké teploty vedou k úsadám karbonu v drážce (řeší se trapézovým kroužkem, který je však náchylnější na opotřebení). U litých Al pístů se z těchto důvodů, u rychloběžných nebo vznětových motorů, používá u 1PK nosič PK, který je zalitý v pístu. Materiál NIRESIT (austenitická slitina železa) má tepelnou roztažnost jako Al píst (cca 19*10-6 mm/mmk). U ocelových pístů se používá u fy KS kalení Laserovým paprskem na spodní ploše drážky. Opotřebení se sníží výraznou měrou. 11
POŽADAVKY NA DRÁŽKU PRO PK Otvůrky pro odvod oleje a) Odvod oleje setřeného jen horním břitem stíracího PK b) Odvod oleje z obou břitů 12
POŽADAVKY NA MŮSTKY MEZI PK VÝŠKA: 1. můstek je silně zatížen od spalovacího tlaku a z důvodů pevnosti (lom) musí být dimenzován ZM: 4,5-5% D VM: 7 9% D 2. můstek ZM: 3,5% D VM: 4,5% D FUNKČNOST: z hlediska těsnosti spalin a oleje - ostré hrany (neplatí u stíracího kroužku, kde naopak sražení napomáhá k rozdělení a odvodu oleje - zvětšením vůle 1. můstku se zvýší objem a sníží se tlak p2 13
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU Uložení pístního čepu je: Plovoucí střídáním vůle se vytváří třecí moment, který způsobuje rotaci PČ, což příznivě ovlivňuje vytváření olejového filmu a vytváří odolnost proti opotřebení. 14
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU V jednom pracovním cyklu se mění směr síly 4x a je zúžen na úzký úhlový sektor, který odpovídá přibližně kyvu ojnice. Max. síla působí ve vrchní části oka pístu, v dolní působí síla od setrvačných sil. Rozdělení tlaku při zatížení spalovacím tlakem 15
4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU Tvarování nábojové části pro uložení pístního čepu souvisí s jeho dimensováním (viz výpočet PČ) Ovalizace tenkostěnných PČ přináší silný nárůst napětí v náboji a tím zmenšení zatížitelnosti PČ V místě napojení oka na dno a plášť pístu se volí tvarování z důvodů snížení koncentrací znamená též úsporu hmotnosti. 16
5) PLÁŠŤ PÍSTU zabezpečuje vedení pístu. Na pístovou skupinu připadá 50% mechanických ztrát motoru. Plášť se podílí 1/3. Normálová síla způsobí boční reakci a proti pohybu třecí sílu, za přítomnosti oleje se vytvoří hydrodynamické rozdělení tlaku mazacího oleje. Při hydrodynamickém mazání působí mezi kluznou vrstvou pláště pístu a stěnou válce smykové napětí. To závisí na teplotní závislosti viskozity oleje, tloušťce filmu (geometrie mazací štěrbiny) a cyklicky se měnící rychlosti pístu. Třecí síla je produktem smykových napětí na jednotce plochy. Smykové napětí je při tom větší, čím menší je mazací štěrbina a čím tenčí je mazací film. POVRCH: Drsnost 1,5 3 Ra, záběhové vrstvy : Pb (1-2 m), bonderování (fosfát 4-7 m) 17
5) PLÁŠŤ PÍSTU Snížení třecích ztrát: Zmenšení třecí plochy pláště se zachováním nosné, asymericky rozdělené mezi tlakovou (TS) a proti tlakovou stranou (ATS) Zvětšení mazací štěrbiny Snížení boční síly Hydrodynamická optimalizace, Asymetrický ovál křivky pláště na tlakové straně proti ATS TS POVRCH: Drsnost 1,5 3 Ra, záběhové vrstvy : Pb (1-2 m), bonderování (fosfát 4-7 m), nanovrstvy (nižší tření a odolnost proti q opotřebení). 18