Tehnologia Fabricării Pistonului

1. Analiza condiţiilor tehnice şi de funcţionare ale reperului pentru care se va proiecta procesul tehnologic.

Pistonul îndeplineşte următoarele roluri :

- transmite forţa de presiune a gazelor bielei ;

- preia reacţiunea provenită de la peretele cilindrului şi transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă ;

- contribuie la realizarea formei camerei de ardere ;

- la motoarele in doi timpi este un element din sistemul de distribuţie a gazelor.

El constituie un organ foarte puternic solicitat mecanic şi termic; este supus unor importante forţe de frecare, iar partea exterioară a capului pistonului care vine în contact cu fluidul motor trebuie sa facă faţă şi acţiunii corozive a gazelor de ardere.

Solicitările mecanice sunt o consecinţă a forţelor care acţionează asupra pistonului. Aceste forţe sunt de trei categorii:

1. forţa direct aplicată care este dată de diferenţa dintre presiunea gazelor din cilindru şi presiunea din carter;

2. forţa de inerţie ca o consecinţă a masei pistonului şi variaţiilor de viteză pe care le înregistrează; ea este întotdeauna direcţionată după axa pistonului;

3. forţele de legătură date de acţiunea pistonului asupra bielei (este o forţă dirijată după axa bielei) şi acţiunea pistonului asupra cilindrului (este o forţă normală care aplică pistonul pe cilindru şi o forţa de frecare).

În timpul funcţionării, capul pistonului vine în contact permanent cu fluidul motor care, pe timpul arderii, atinge temperaturi de peste 20000C. Ca urmare el primeşte o cantitate foarte mare de căldură pe care trebuie să o evacueze deoarece altfel funcţionarea mecanică ar fi compromisă. Evacuarea căldurii primite se face în special spre cilindru şi într-o măsură mai mică spre carterul motorului.

Deoarece căldura este primită numai prin capul pistonului temperatura descreşte în lungul pistonului, de la cap spre partea inferioară a mantalei. Nivelul şi variaţia temperaturii depind de tipul motorului, materialul şi construcţia pistonului, proprietăţile şi mişcarea gazelor, agentul de răcire al motorului. Datorită diferenţelor de temperatură, dilatările pistonului vor fi inegale, capul pistonului dilatându-se mai mult decât mantaua. Datorită neuniformităţii repartiţiei materialului, chiar într-o zonă cu aceeaşi temperatură, dilatările sunt inegale, dilatări ce sunt influenţate şi de regimul de funcţionare al motorului. Deci pistonul propriu-zis nu poate asigura etanşarea; de aceea este necesar să se prevadă pistonul cu segmenţi.

Din punct de vedere al materialului, cu cât temperatura este mai mare, calităţile de rezistenţă mecanică se înrăutăţesc, scade în special duritatea, ceea ce conduce la o uzură mai pronunţată.

În regiunile unde capul pistonului este bătut în continuu de flacără, materialul poate fi ars sau poate da naştere fisurii, ceea ce impune schimbarea pistonului.

Ţinând cont de rolul pistonului şi de solicitările complexe şi puternice pe care trebuie să le suporte în procesul de funcţionare, rezultă că el trebuie să satisfacă următoarele condiţii:

1. Să asigure etanşarea cilindrului la orice regim de funcţionare;

2. Să primească cât mai puţină căldură pe la capul pistonului pentru a reduce importanţa problemelor termice;

3. Să aibă proprietăţi de transmitere a căldurii cât mai bune;

4. Să asigure un consum minim de ulei;

5. Să fi cât mai uşor, pentru a reduce importanţa forţelor de inerţie translatorii, dar în acelaşi timp suficient de rezistent şi rigid;

6. Să asigure un lucru mecanic de frecare minim, deoarece pierderile prin frecare ale pistonului reprezintă aproximativ 60% din totalul pierderilor prin frecare la motoarele rapide;

7. Să aibă durabilitate mare oricât de grele ar fi condiţiile de exploatare.

Pistonul se compune din următoarele părţi:

- Capul pistonului – partea superioară a pistonului ce preia presiunea gazelor. Construcţia sa trebuie să asigure rezistenţa necesară şi buna desfăşurare a proceselor funcţionale.

La motoarele Diesel, forma capului pistonului depinde de organizarea camerei de ardere. Când camera de ardere este divizată, se poate utiliza capul plan, dar adesea capul se profilează pentru a stimula arderea. Pentru camerele nedivizate, se pot aplica soluţii variate (fig.2): cap mulat după forma jetului (a), cap cu cameră de ardere în formă de cupă (b), cap cu cameră de ardere toroidală, la care suprafaţa frontală constituie un prag ce expulzează aerul comprimat spre combustibilul injectat în cavitate (c), cap cu cameră de ardere sferică, folosit la motoarele cu formare peliculară a amestecului (d).

Fig.2 Forme ale capului pistonului la m.a.c

La motoarele Diesel forţate cu injecţie directă, se pot ameliora condiţiile de funcţionare ale capului pistonului prin diverse metode (fig.3). Prin rotunjirea muchiei camerei de ardere (a), sau teşirea ei (b), se micşorează viteza de curgere a gazelor şi gradientul de temperatură în zona respectivă şi se previne apariţia de fisuri radiale de-a lungul muchiei. Tot pentru a proteja muchia se utilizează un inel fabricat dintr-un material de mare plasticitate, solidarizat cu pistonul prin sudare sub flux de electroni (c). Se mai foloseşte o armătură de bronz cu cupru, cobalt şi beriliu, fixată cu şuruburi (d). La pistonul “armal”, muchia camerei de ardere este executată într-o inserţie de material refractar, încorporată la turnare, care poate conţine şi canalul primului segment (e). Echiparea capului pistonului cu inserţii de diferite configuraţii (f, g ,h) îl protejează de impactul cu jetul de combustibil sau de flacără, realizând totodată zone de temperatură ridicată, care favorizează arderea. Inserţiile se realizează din fontă specială sau oţel austenitic.