1

KONSTUKCE PÍSTUNamáhání 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

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 1

Veličiny Zážehové motory

Vznětové motory

Kompresní výška

Hk /D

0,36

(0,30…0,42)

0,65

(0,55…0,75)

Celková výška

h /D

0,7

(0,6…0,8)

1,05

(0,95…1,15)

Výška pláště

hp /D

0,48

(0,44…0,52)

0,72

(0,63…0,81)

Výška hlavy k 1.kr.

HFS /D

0,06

(0,04…0,08)

0,12

(0,10…0,14)

Poloha nálitků

a1 /D

0,31

(0,27…0,34)

0,35

(0,33…0,37)

Průměr čepu

DB /D

0,26

(0,24…0,28)

0,37

(0,34…0,40)

Hmotnost

mp /D3

[g/cm3]

0,6

(0,4…0,8)

1

(0,7…1,2)

Snaha o maximální kompaktnost s minimální hmotností vede k malé kompresní výšce:a) Písty s plochým dnem

b) Písty se spalovací komůrkou

2B

RBRFFSK

DHHHH

HH K

2B

NBMK

DHSHH

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ SCH

HMOTNOSTI PÍSTŮ

Trend u zážehových motoru (rychloběžných) vede k tzv. „lehkým konstrukcím“.

Měřítkem lehkosti pístu je faktor K, ten fyzikálně odpovídá hustotě (g/cm3).

Vývoj faktoru K

3D

mK

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.

32013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 3

Moderní Al-píst s vypouzdřením uložení pro PČ a eloxovaným dnem pro vznětové motory.

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

1) DNO PÍSTU

Tvarování dna pístu ovlivňuje spalovací komůrka.

Teplota dna max. 250-350°C

4

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

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)

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 4

H1.kr

(4 – 8)%D – ZM(10-14)%D - VM

- Dnes nepoužívaná

c) Malý škodlivý prostor, minimalizace PM, velká vůle zabraňuje napečení karbonu, karbon tvoří lámavou vrstvu

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 5

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

2) VÝŠKA HLAVY NAD 1. PK (příklad – podmínkou je chlazení vysoko uloženého PK)

6

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

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)

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ

Fa

Fa = FaPlynů ± Fs ± Ft

Fa při kladné velikosti těsní na spodním boku, v HÚ při výměně obsahu válce mění smysl (krátkodobě je těsnost přerušena)

7

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

3) POLE DRÁŽEK PRO PK

Těsnící systém PK-drážka- válec

Z firemních materiálů KolbenSchmidt

jsou patrné pohyby PK, tlaky před PK, a profuky plynů.

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 8

3a) TĚSNÍCÍ ÚČINEK MEZI BOKY PK A DRÁŽKY PÍSTU

silou Fa = FaPlynů ± Fs ± Ft

Fa

adppFaPlynů 212

d

ha

rPlynůrvt FFF

tgrv FF 2

hadppFrPlynů 212

9

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

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)

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 9

POZOR na sražení drážky a PK

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 10

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´

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 11

POŽADAVKY NA DRÁŽKY PRO PK

OPOTŘEBENÍ DRÁŽKY – NOSIČE PKMechanický 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.

12

POŽADAVKY NA DRÁŽKU PRO PK

Otvůrky pro odvod oleje

a) Odvod oleje setřeného jen horním břitem stíracího PK

b) Odvod oleje z obou břitů

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 12

13

POŽADAVKY NA MŮSTKY MEZI PKVÝŠKA: 1. můstek je silně zatížen od

spalovacího tlaku a z důvodů pevnosti (lom) musí být dimenzován

ZM: 4,5 -5% DVM: 7 – 9% D

2. můstek ZM: 3,5% DVM: 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

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 13

14

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 14

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.___________________________________________________

15

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 15

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

16

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

4) NÁBOJ PÍSTNÍHO ČEPU

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 16

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.

17

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

5) PLÁŠŤ PÍSTU – zabezpečuje vedení pístu.

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 17

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)

18

KONSTRUKCE ČÁSTÍ PÍSTU

5) PLÁŠŤ PÍSTU

2013/2014 Pohonné jednotky II.- SCHOLZ 18

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).

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

TS

ATS