Skupina pístů. Část II — JÍZDA2

Pro začátek by bylo dobré si představit, co bychom od ideálního pístu očekávali. Jaký je, tento neochvějný cínový vojáček? No, samozřejmě, neohýbání. Ať už ji ohýbáme, tlačíme, mačkáme, házíme z tepla do chladu, vždy by měla zůstat stejná. Identický s velkou přesností. Náš hrdina je v husté formaci částí s ním spojených. Jedná se o kroužky, pístní čep, válec.

Pokud je mechanické zatížení tak velké, že dojde k deformaci drážek a uvolnění pístních kroužků, motor nebude fungovat správně. Pokud se pístní čep zablokuje v otvorech nálitku pístu, píst se s největší pravděpodobností zničí. Pokud se mezera od stěn válce náhle zvětší, ztratíme orientaci, a pokud se zmenší, rozmažeme píst podél stěn. A síly, které na něj působí, jsou značné.

Maximální tlak ve spalovacím prostoru vysoce výkonných motorů dosahuje 100 atmosfér. Síla, kterou plyny tlačí píst, se měří v tunách. Maximální rychlost, kterou se pohybuje ve vysokorychlostním motoru, dosahuje 120 km/h. Zároveň zpomalí 200krát za sekundu, dokud se úplně nezastaví. Představte si, že se vaše auto zastavilo z rychlosti 120 km/h na vzdálenost 4 centimetrů. Je to skoro jako narazit na kámen. Co je to nárazník, když by neměl změnit tvar o více než 0,005 mm? Nezapomeňte, před dopadem jsme to docela zahřáli plynovým hořákem. A to vše se opakuje 200krát za sekundu. To jsou testy, které připadly našemu svěřenci Ideální píst v takto drsných podmínkách by měl být absolutně tuhý, tedy nijak neměnit svůj tvar. Tepelné zatížení by jej nemělo deformovat. Jeho hmotnost by se měla blížit nule. Nemělo by docházet k opotřebení při kontaktu s protilehlými částmi.

V první části článku jsme definovali charakteristiky spojené s tepelnými procesy v motoru. Je zcela jasné, že v přírodě neexistují žádné materiály, které by všechny tyto požadavky splňovaly. Než se podíváme na materiály, ze kterých jsou písty vyrobeny, pokusme se pochopit, proč jsou na písty kladeny takové požadavky.

Snad jedním z hlavních ukazatelů kvality činnosti pístové skupiny jsou mechanické ztráty, které jsou při pohybu nevyhnutelné. Aby se překonaly třecí síly, které brání pohybu, část mechanické energie získané z pracovní tekutiny se ztratí na ohřev. vk.com/autobap Podíl těchto ztrát, které připadají na skupinu pístů na celkových mechanických nákladech motoru, je poměrně vysoký. Někdy přesahuje 50 % celkových ztrát v motoru.
Podstatným bodem pro pochopení důležitosti problému je skutečnost, že snaha mnoha tunerů zvýšit otáčky motoru a prostřednictvím dynamiky plynů (zlepšení průřezů kanálů, tvaru spalovací komory, časování ventilů) získat větší výkon při vysokém točivém momentu v širokém rozsahu otáček naráží na rostoucí mechanické ztráty.

Významná část odporových sil roste lineárně s rychlostí, a proto se ztrátový výkon zvyšuje ve čtvercovém vztahu. Pokud nebudou přijata opatření ke snížení mechanických ztrát, může být veškeré úsilí marné. Nevyhnutelný je okamžik, kdy veškerá mechanická energie bude vynaložena na sebe a nebude čím roztáčet kola. Proto má při konstrukci pístu prvořadý význam přístup ke skupině pístů jako k lineárnímu kluznému ložisku.

Hlavní podíl na odolnosti proti pohybu mají samozřejmě pístní kroužky, které musí být vzhledem ke své funkci pevně přitlačeny ke stěnám válce. Úkolem pístu je však zajistit, aby kroužky byly vždy správně orientovány a byla zajištěna jejich funkčnost Také zcela oprávněná touha konstruktéra zamezit suchému kontaktu mezi tělem pístu a vložkou válce diktuje přísné požadavky na jeho geometrii. Faktem je, že jako u každého kluzného ložiska zde roli separační vrstvy hraje olej, který zabraňuje kontaktu mezi kovovými povrchy. Přesněji řečeno olejový klín, který se tvoří v mezeře při pohybu dílů. Vysoký tlak v olejovém klínu, schopný působit proti lisovacím silám, může existovat pouze v mezerách měřených v tisícinách milimetru. Velikost síly je úměrná ploše, na kterou olejový klín tlačí.

Proto je tak důležité udržet povrch pláště pístu rovnoběžný se stěnami válce s tak neuvěřitelnou přesností během provozu. Je naprosto jasné, že nejsou povoleny žádné hrudky, jinak vzniknou lokální kontakty, které se stanou generátory tepla a povedou k rozvoji nepříznivých procesů po celé ploše.

Nezapomínejme ani na pístní čep, který je potřeba svými stabilními vůlemi, počítanými ve stejně nepatrných množstvích, opatřit podmínkami kluzného ložiska. V případě ideálního pístu, který jsme popsali dříve, pohádkového „neohýbajícího se cínového vojáčka“, je vše víceméně jasné. Cokoli získáme po mechanickém zpracování, to bude vždy za jakýchkoliv provozních podmínek. Pak mu můžeme s velkou přesností dát předem požadované tvary.
A co skutečné materiály? Které se ohýbají při mechanickém zatížení. Z teploty nabobtnají. Kvůli rozdílné tloušťce stěny se deformují kvůli nestejnoměrnosti materiálu, jsou pokryty hrboly a hrudkami. Není jiné cesty, než mu dát při výrobě takové tvary, které zohlední všechna zkreslení, která vznikají při reálném zatížení během provozu.

To je důvod, proč má píst tak složitý tvar. Na výšku má soudkovitý tvar, protože nerovnoměrné zahřívání způsobuje větší expanzi tam, kde je teplota vyšší. V příčném řezu je oválný, protože mechanické zatížení způsobuje, že píst „propadá“ na prstu, jako list papíru ležící na tužce. Navíc v každé sekci má svou hodnotu jak oválnost, tak soudkovitost. Je zřejmé, že velikost deformace závisí na tloušťce kovu tvořícího stěny pístu. Je jasné, že zvýšení tloušťky zvýší odolnost proti zatížení a usnadní život konstruktérovi. Nárůst hmotnosti však nevyhnutelně povede ke zvýšení setrvačných sil, což zničí životnost celého klikového mechanismu. Zde, jako v každém jiném případě, otázka optimalizace vyžaduje povolení od projektanta.

Jak se tedy nakonec z těžké situace najde východisko? Proč se automobilové motory neustále vyvíjejí směrem k vysokootáčkovým? Jak se hledají způsoby, jak tyto rozpory vyřešit? Na úsvitu stavby motoru byl jednoduše vyroben píst dokonale válcového tvaru a motor byl nastartován. Nechali to běžet, aniž by zničili motor, a pak to rozebrali.

Stopy kontaktu s objímkou ​​byly odstraněny mechanickým ošetřením a experiment se opakoval, čímž se zvýšila zátěž. Poté byly kontaktní body znovu zpracovány a znovu načteny. Pokud byla zjištěna slabá místa, která bylo třeba posílit, byl vyroben nový píst s upravenou tloušťkou stěny. To se opakovalo mnohokrát, dokud motor nezačal pracovat stabilně při plném zatížení a píst byl považován za vyhovující.

V moderním světě je možné pomocí výpočtových metod s dobrou přesností navrhnout geometrii nově vytvořených pístů. Následné testy navazující na výpočty obvykle vedou k úpravám, ale počet experimentů je nesrovnatelně snížen. Píst přizpůsobený provozním podmínkám však nelze považovat za absolutně vyhovující požadavkům. Ostatně velikost deformací, které jsou kompenzovány přednastaveným tvarem, závisí jak na tepelném režimu, tak na velikosti sil na něj působících.

Protože automobilový motor je vícerežimový a pracuje v širokém rozsahu zatížení a teplot, bude píst s největší pravděpodobností dobrý pouze pro určitý rozsah provozních podmínek. To je jeden z problémů motorů automobilů obecně. V sériové výrobě se zpravidla na základě jednoho motoru vyrábí současně celá rodina různých agregátů určených pro různé účely. A uvedení nových vozů vyžadujících nové motory je často doprovázeno úpravami již osvědčených konstrukcí za účelem splnění nových požadavků.

Jsou známy případy, kdy spodek motoru včetně bloku válců a klikové hřídele s ložisky stál desítky let prakticky beze změny na dopravním pásu a přecházel z jednoho tělesa do druhého. Navíc byl použit pro benzinové i naftové motory současně. Skupiny pístů, protože více závisely na účelu motoru, byly téměř vždy předmětem úprav. To je důvod, proč je v sortimentu výrobců pístů tak široká škála tvarů pístů. Proto, když chceme získat větší výkon ze sériového motoru, ať už vyladěné verze nebo ještě více sportovního, musíme si uvědomit, že sériový píst s největší pravděpodobností nebude splňovat nové požadavky, které jsou na něj kladeny. Buď utrpíme další ztráty, kterým se dalo předejít, nebo sníme celou bezpečnostní rezervu. Pravděpodobně obojí zároveň.

Použití dodatečného přeplňování nebo okysličovadla, jako je oxid dusný, také vytváří nové provozní podmínky pro skupinu pístů. Podstatným bodem při konstrukci, jak jsme zjistili, je materiál, ze kterého je píst vyroben. Vlastnosti materiálu určují vlastnosti výrobku a jeho design. Automobilové písty jsou vyráběny především ze slitin hliníku, méně často z litiny.

Litina, přestože má řadu tak příjemných vlastností, jako je nízký koeficient lineární roztažnosti, hodnota se rovná materiálu vložky válce, vysoká tepelná odolnost, vysoká pevnost, vynikající ložiskové vlastnosti, se v současné době prakticky nepoužívá. Brzdou byly dvě okolnosti.

Jednak nízká tepelná vodivost a v důsledku toho špatná detonační odolnost motoru, která neumožňuje použití vysokých kompresních poměrů. Za druhé, vysoká měrná hmotnost je překážkou rychlosti.

Z hliníkových slitin používaných pro písty tvoří drtivou většinu siluminy, tedy slitiny systému hliník-křemík s různým obsahem křemíku. Méně časté jsou kujné slitiny systému hliník-měď.

Slitiny obsahující křemík se zase dělí do dvou skupin podle obsahu křemíku. Jedná se o hypoeutektické a hypereutektické. Do první třídy patří slitiny s obsahem křemíku do 12 %, do druhé třídy slitiny s obsahem křemíku nad 12 %. Ty první nemají křemík ve volné formě, tzv. primární křemík, a celý je rozpuštěný v hliníku. Jedná se o AL-25, AL-30, AK12, Mahle 124. Druhá kategorie obsahuje křemík ve volné formě – ve formě krystalů, které jsou někdy na řezu nebo zlomu vzorku viditelné pouhým okem. Jsou známy tyto: AL-26, AK18, AK21, VKZhLS, Mahle 138, Mahle 224.

Hypereutektické slitiny s 18% nebo 22% obsahem křemíku se používají především pro velkoobjemové dieselové motory. Důvodem je větší odolnost proti opotřebení a tepelná pevnost, která je důležitá pro zajištění životnosti tahačů. V sériové výrobě jsou písty odlévány z hliníkových slitin. Pro snížení míry tepelné roztažnosti, a tedy pro získání multimódových vlastností, se uvnitř odlitku používají ocelové teplotně kompenzující vložky.

V malosériové a individuální výrobě, aby se získaly lepší mechanické vlastnosti, jsou polotovary pístů vyráběny pomocí izotermického ražení nebo tekutého ražení. Vysoké tlaky při procesu kování napomáhají ke zhutnění materiálu a v důsledku toho ke zlepšení jeho vlastností. Tato technologie však zcela eliminuje přítomnost jakýchkoliv vložek. Tato okolnost způsobuje, že písty vyráběné touto technologií jsou převážně jednorežimové.

Tyto písty se používají především u silně zatížených motorů vyráběných v malých sériích. Například sport. U sportovních motorů, které se svým účelem blíží jednorežimovým, našly uplatnění slitiny hliníku a mědi. Toto je AK-4-1, Mahle YG. Lisují se i přířezy z nich vyrobené. Ve srovnání se siluminy mají lepší fyzikální a mechanické vlastnosti při provozních teplotách, liší se však o 20 % vyšším koeficientem lineární roztažnosti. Mezi nevýhody patří také relativně rychlé stárnutí a destrukce únavovým stresem. Jsou však zcela běžné v leteckých pístových motorech, stejně jako v automobilových sportovních motorech, které mají omezenou životnost a zvýšené požadavky na hmotnost pístu.

Pár slov o nošení. Píst, který je správně přizpůsoben požadavkům motoru, se téměř nikdy nedostane do kontaktu se stěnou válce. Výjimkou jsou studené starty a provoz při zatížení nezahřátého motoru. Proto i po značném počtu ujetých kilometrů 200000 0,01 km a více je změna velikosti sukně nevýznamná a leží v rozmezí 0,03 – 0,15 mm, pokud se motor opotřeboval normálně bez kolizí. Vložku válce, zejména v její horní části, lze opotřebovat kroužky do XNUMX mm. To ale vůbec neznamená, že píst může být nadále používán a je ve stavu blízkém novému.

Hlavním parametrem, kterým je píst vyřazen, je opotřebení prstencových drážek. Zpravidla jsou v této době jak tvar, tak velikost drážky alespoň prvního kroužku mimo toleranci. Důležitým faktorem nejen opotřebení, ale i účinnosti motoru je geometrie a stav povrchu válců. Za prvé, deformace válcovitosti má stejný účinek jako nesprávný tvar pístu, pokud jde o zachování vůlí v páru píst-válec. Nejpravděpodobnější příčinou tvarového zkreslení jsou pnutí v bloku od upevňovacích prvků hlavy a převodovky. Důležitá je také mikrogeometrie, tedy hloubka a tvar honovací sítě. Mahle, přední výrobce pístů v Evropě, se domnívá, že předčasné opotřebení motorů, které prošly většími opravami, je v 80 % případů výsledkem nesprávného povrchového mikroreliéfu.

Na závěr bych chtěl říci, že v tomto článku jsem ukázal pouze některé aspekty fungování skupiny pístů. Předpokládal jsem, že čtenář není profesionální motorový specialista, ale zajímá se o chod motoru a tuning je jeho životní styl. Proto zde není řešeno mnoho otázek, kterým vždy čelí konstruktér nového motoru. Zde je jen malý souhrn témat, která se z podnětu klientů tuningové divize firmy Diligence a motoristů diskutovala v různých obdobích naší činnosti.