Có tác dụng dẫn hớng cho piston chuyển động trong xilanh và chịu lực ngang W , để dẫn hớng tốt và ít va đập , khe hở giữa thân piston và xilanh bé , khi thiết kế thân piston cần chú ý các yếu tố :
a) Chiều dài của thân piston : chiều dài này phụ thuộc vào kiểu , loại động cơ . b) Vị trí bệ chốt piston :
Hình 2.9 : Vị trí lỗ bệ chốt piston
Trong quá trình làm việc piston chịu lực ngang N . Nếu chốt piston đặt giữa chiều dài thân piston ở trạng thái tĩnh áp suất phân bố đều nhng khi piston chuyển động , do lực ma sát tác động làm piston có xu hớng quay quanh chốt nên áp suất của piston nén trên xilanh sẽ phân bố không đều nữa
Hình 2.10 : Trạng thái biến dạng của piston khi chịu lực khí thể và lực ngang Dạng của piston thờng không phải là hình trụ mà tiết diện ngang của nó thờng có dạng ovan hoặc vát ở phía hai đầu bệ thiết kế nh vậy để khi piston chịu lực P2 , N và nhiệt tác dụng piston không bị bó kẹt trong xilanh
ha : là trạng thái biến dạng của thân piston khi chịu nhiệt độ cao , do kim loại phân bố không đều , kim loại tập trung nhiều ở hai bệ chốt piston
hb : là trạng thái biến dạng của thân piston khi chịu lực khí thể , áp suất khí thể ép cho đỉnh lõm xuống làm thân cũng biến dạng theo
hc : là trạng thái biến dạng của thân piston khi chịu lực ngang N Cả ba nguyên nhân trên đều làm cho piston biến dạng theo hình ovan Để khắc phục hiện tợng bó piston ngời ta dùng các biện pháp sau :
- Làm thân piston có sẵn dạng hình ovan
- Tiện vát bớt hai mặt thân piston ở phía hai đầu bệ chốt
- Giảm độ cứng vững thân piston bằng cách sẻ các rãnh hình chữ T , chữ L , chữ ∏ trên thân piston .
- Đúc gắn miếng hợp kim invar hoặc thép cacbon để đỡ bệ chốt piston . Thành phần hoá học của hợp kim invar : 30ữ38%Ni , 0ữ8%Cr , còn lại là Fe . Hệ số giãn nở của piston này nhỏ α=2.10 - 6/ 0K. Dùng hợp kim này là các bản nối tiếp phần đầu với thân piston
thờng dùng khi nhiệt độ chênh lệch giữa phần đầu và phần cuối của thân piston nhỏ - Đờng II : cả đầu và thân piston đều có độ cân để thích hợp với trạng thái nhiệt trên chiều cao của thân
- Đờng III : Đầu và thân piston làm thành dạng hình trụ nhiều bậc . Kết cấu này thờng dùng vì công nghệ gia công đơn giản mà hiệu quả tốt
- Đờng IV : Dạng đờng cong phức tạp công nghệ gia công khó
- Đờng V : Dạng hình côn và hình trụ . Đoạn thân gần chân piston có dạng hình trụ, các phần khác có độ côn , dạng này ít dùng vì phức tạp
Ngoài ba phần chính trên , ở một số piston kết cấu còn thiết kế thêm chân piston . Chân piston thờng có dạng vành đai để tăng độ cứng, vững . Mặt tụ ở vành đai này thờng là mặt chuẩn công nghệ dùng để gia công piston
Hình 2.12 : Chân piston
Ngoài ra khi điều chỉnh trọng lợng piston thờng dùng cách cắt bỏ một phần kim loại ở chân piston .
2.1.4.4 Kích thớc kinh nghiệm của piston :
Hình 2.13 : Kích thớc các phần của piston
2.2/ XECMăNG: 2.2.1 Nhiệm vụ :
Xecmăng đợc lắp trong các rãnh xecmăng trên đầu piston , làm giảm lực tác dụng của piston vào thành xilanh , truyền nhiệt từ piston => xecmăng => xilanh => nớc làm mát
- Xecmăng hơi : làm kín hơi , không cho không khí lọt xuống cacte - Xecmăng dầu : ngăn không cho dầu nhờn sục lên buồng đốt.
2.2.2 Điều kiện làm việc :
Để đảm bảo cho piston di động dễ dàng trong xilanh, piston lắp ghép với xilanh có khe hở , do đó để bao kín không gian buồng cháy trong xilanh và ngăn không cho dầu nhờn sục lên buồng đốt ta dùng xecmăng hơi và xecmăng dầu . Xecmăng làm việc trong điều kiện xấu , nhiệt độ cao , áp suất va đập lớn , ma sát mài mòn nhiều và chịu ăn mòn hoá học của khí cháy và dầu nhờn .
1) Chịu nhiệt độ cao :
Trong quá trình làm việc piston trực tiếp tiếp xúc với khí cháy , do piston truyền nhiệt cho xilanh qua xecmăng và do ma sát với vách xilanh nên xecmăng có nhiệt độ cao , nhất là xecmăng khí thứ nhất .
Khi xecmăng khí bị hở , không khít với xilanh , khí cháy thổi qua chỗ bị hở làm cho nhiệt độ cục bộ vùng này tăng lên rất cao , có thể làm cháy xecmăng và piston.
Nhiệt độ xecmăng khí thứ nhất : 632ữ673 0K
Do nhiệt độ cao , sức bền cơ học giảm sút , xecmăng dễ bị mất độ đàn hồi , dầu nhờn dễ bị cháy thành keo bám trên xecmăng và trên xilanh , làm xấu điều kiện làm việc , thậm chí làm bó xecmăng (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
2) Chịu lực va đập lớn :
Khi làm việc lực khí thể và lực quán tính tác dụng lên xecmăng. Các lực này có trị số rất lớn , luôn thay đổi về trị số và chiều tác dụng nên gây ra tác dụng mạnh giữa xecmăng với rãnh xecmăng nhất là trong động cơ 4 kỳ cao tốc
3) Chịu mài mòn :
Khi làm việc xecmăng ma sát với vách xilanh rất lớn. Công ma sát của xecmăng chiếm 50ữ60 % toàn bộ công tổn thất cơ giới của động cơ đốt trong
- Có sức bền và độ đàn hồi cao và ổn định trong điều kiện nhiệt độ cao - Có khả năng rà khít mặt xilanh một cách nhanh chóng
Ngày nay hầu hết các nớc đều dùng gang xám hợp kim để chế tạo xecmăng. Gang xám hợp kim có tổ chức peclit nhỏ mịn , trên nền peclit cơ bản có phân bố đều các hạt graphit tự do với số lợng không nhiều lắm . Trong gang thờng pha thêm các nguyên tố khác nh : Ni, Mn, Cr , P ,Ti , Cu ... với số lợng ít để cải thiện tính năng của gang .
Gang hợp kim đợc dùng phổ biến vì nó có nhiều u điểm cơ bản mà các loại vật liệu khác không có đợc:
- Nếu mặt ma sát bị cào xớc , trong quá trình làm việc vết xớc sẽ mất dần , ma sát đợc khôi phục nh cũ
- Graphit trong gang có khả năng bôi trơn mặt ma sát , làm giảm hệ số ma sát
- ít nhạy cảm với ứng xuất tập trung gây ra ở các vùng có vết xớc Các loại vật liệu gang thờng dùng :
C4 18-36 thành phần : 2,7ữ3%Si ; 0,5ữ0,7%Mn ; 0,5ữ0,6%P ; 0,09%S ; 0,3%Cr ; 0,3%N ; 0,2%T ; HB = 95ữ105 C4 24-44 thành phần : 1,6ữ2%Si ; 0,8ữ1%Mn ; 0,3ữ0,5%P ; 0,1%S ; 0,6%Cr ; 0,4 %N ; 0,2%T ; HB = 93ữ97 C4 28-44 thành phần : 1,5ữ1,9%Si ; 0,5ữ0,8%Mn ; 0,3ữ0,5%P ; 0,1%S ; 0,6%Cr ; 0,5ữ1%N ; 0,2ữ0,6%Mo ; HB = 93ữ97
ở một số động cơ công suất lớn và động cơ 2 thì đã dùng xecmăng chế tạo bằng thép , thép có sức bền lớn nhng :
- Trong điều kiện nhiệt độ cao và bôi trơn kém thì độ đàn hồi và tính chịu mòn của thép giảm rất nhiều , mặt xilanh cũng nhanh mòn
- Ngày nay rất ít khi ngời ta dùng thép để chế tạo xecmăng khí , đa số các xecmăng dầu chế tạo lại đều đợc chế tạo bằng thép
Quá trình chế tạo xecmăng hết sức phức tạp , thờng xecmăng đợc chế tạo ở các phân xởng riêng , các phơng pháp chế tạo xecmăng khác nhau chủ yếu ở khâu đảm bảo hình dạng và mở miệng ở trạng thái tự do của xecmăng
Ngày nay thờng chế tạo xecmăng theo 3 phơng pháp :
- Đúc đơn chiếc : xecmăng đợc đúc từng chiếc một , phôi đúc đã đợc định hình giống nh xecmăng ở trạng thái tự do , phơng pháp này đảm bảo thành phần , tổ chức của gang rất đồng đều.
- Chế tạo theo phơng pháp nhiệt định hình (đúc phôi thành ống rồi cắt từng lát thành xecmăng ) cho xecmăng há miệng ra bằng độ mở miệng ở trạng thái tự do rồi tiến hành nhiệt định hình ở nhiệt độ t = 600ữ6500C ; thời gian trong 1 giờ .
- Gia công định hình phôi đúc (đúc thành dạng ống để có dạng giống dạng xecmăng ở trạng thái tự do sau đó cắt từng lát xecmăng rồi cắt mở miệng )
Để tăng độ bền của xecmăng sau khi gia công cơ khí ngời ta còn xử lý xecmăng qua nhiều khâu công nghệ
2.2.4 Kết cấu của xecmăng :
Xecmăng có kết cấu đơn giản , nó có dạng một vòng thép mở miệng, đờng kính của xecmăng là đờng kính ngoài của xecmăng ở trạng thái lắp ghép trong xilanh
1- Mặt đáy 2- Mặt lng 3- Mặt bụng 4- Phần miệng 5- Khe hở miệng Hình 2.14 : Xecmăng - mặt 1: mặt đáy - mặt 2: mặt lng - mặt 3 : mặt bụng
Chiều dày của xecmăng là khoảng cách giữa mặt lng và mặt bụng , chiều cao h của xecmăng là khoảng cách giã hai mặt đáy
Phân theo nhiệm vụ xecmăng chia làm 2 loại : - xecmăng khí
thì xecmăng thứ 3 áp suất giảm xuống còn khoảng 5%P2 , khi lắp xecmăng quay các miệng lệch nhau 1800
Hình 2.15 : Sơ đồ tác dụng bao kín của xecmăng khí
Kết cấu của xecmăng khí chỉ khác nhau ở tiết diện ngang , xecmăng khí có rất nhiều kiểu tiết diện ngang khác nhau
Hình 2.16 : Tiết diện xecmăng khí
- hình a là loại tiết diện hình chữ nhật , là loại thông dụng nhất và đơn giản nhất , chiều cao h càng lớn càng khó khít với xilanh , áp suất nén trên xilanh giảm và trọng lợng tăng lên (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
- Để tăng áp suất , nâng cao khả năng bao kín mặt lng xecmăng có khi làm thành mặt côn có góc β = 15’ữ30’ hoặc độ côn góc β=20 , đoạn mặt trụ có chiều cao e ≈ h/3 (b,c)
- Do gia công thành mặt côn tơng đối khó nên ngời ta dùng loại xecmăng không đối xứng , mặt lng vẫn là mặt trụ (d,e,g) loại này khi lắp vào xilanh lng bị vênh
lên thành mặt côn (x 37). Do vậy xecmăng chỉ tiếp xúc với xilanh ở một phần mặt lng xecmăng . Vì vậy áp suất tiếp xúc cao , ít lọt khí và chóng rà khít hơn.
Hình 2.17 : Biến dạng của tiết diện xecmăng không đối xứng khi lắp vào xilanh
- Hình h là loại xecmăng có tiết diện hình thang ngoài tác dụng tăng áp suất khí nén trên mặt xilanh ra còn có khả năng tránh kết muội
- Để cải thiện quá trình chạy rà , rà khít bề mặt xecmăng với xilanh , và tăng áp suất tiếp xúc ngời ta dùng xecmăng có tiết diện (i) nếu nh các rãnh ở mặt lng sâu dễ gây kết tụ muội than . Để cải thiện quá trình chạy rà , ngời ta còn dùng loại xecmăng có gắn một vòng bằng đồng hoặc nhiều vòng bằng thép
Hình 2.18 : Xecmăng có ghép vòng đồng và vòng thiếc
- Loại xecmăng có tiết diện (k) là loại xecmăng tổng hợp tất cả các u điểm của xecmăng có tiết diện đơn giản . Do loại xecmăng này gia công phức tạp nên ít sử dụng
Để xecmăng khí đợc mòn đều ít lọt khí và ít kết muội than cần để xecmăng quay tự do quanh tâm xilanh
Đối với động cơ 2 thì phối khí bằng lỗ nên không để xecmăng quay tự do đợc mà phải cố địng xecmăng bằng cách đóng chốt trong rãnh xecmăng để miệng xecmăng không quay đợc
Hình 2.20 : Miệng của xecmăng khí
- Loại a : miệng cắt thẳng , loại này dùng phổ biến trong động cơ cao tốc , miệng cắt kiểu này đơn giản ,dễ chế tạo ,nhng dễ lọt khí
- Loại c : cắt vát một góc 35ữ450 đợc dùng khá nhiều trong động cơ cao tốc , cũng nh trong động cơ tốc độ thấp , loại miệng này ít lọt khí hơn
- Loại d : miệng xếp chồng (bậc thang) dùng cho động cơ tốc độ thấp , bao kín tốt nhng ít sử dụng vì khó chế tạo.
- Loại e : cắt bạc khuyết dùng động cơ 2 thì và động cơ 4 thì Điezen
2.2.4.2 Xecmăng dầu :
Trong quá trình làm việc của động cơ đốt trong , xecmăng khí dù đốt đến đâu cũng không thể ngăn đợc dầu nhờn sục vào buồng đốt của động cơ ngợc lại xecmăngkhí còn bơm dầu vào buồng đốt tác dụng bơm dầu của xecmăng
Hình 2.21 : Tác dụng bơm dầu của xecmăng khí
- Khi piston đi xuống xecmăng vét dầu, dầu tụ vào trong rãnh xecmăng (a)
- Khi piston đi lên , xecmăng tiếp xúc với rãnh ở mặt dới do đó dồn dầu đi lên phía trên(b)
- Khi piston đi xuống lần thứ hai , xecmăng tiếp xúc ở mặt trên ép số dầu tụ ở phía trên đi lên cao hơn nữa (c), cứ nh thế dầu nhờn sẽ chạy vào buồng cháy.
Kết cấu xecmăng dầu có rất nhiều loại khác nhau
Hinh 2.22 : Kết cấu xecmăng dầu
- Loại tiết diện có hình dạng thang (a,e) lỡi dao, mặt làm việc là mặt côn , nhằm mục đích nâng cao áp suất tiếp xúc trên vành xilanh
Hình 2.23 : Xecmăng dầu tổ hợp và vòng lò xo đệm
- Nhiều khi để tăng áp suất tiếp xúc ngời ta đệm vào trong rãnh một vòng lò xo (a) hoặc dùng loại xecmăng dầu tổ hợp đặc biệt bằng thép (b) ,loại này gồm hai vòng thép mỏng đặt ấp hai bên vòng lò xo đệm .
2.3 Chốt piston : 2.3.1 Nhiệm vụ:
Chốt piston là chi tiết máy nối piston với thanh truyền ,nó truyền lc tác dụng khí thể tác dung lên piston cho thanh truyền để làm quay trục khuỷu
2.3.2 Điều kiện làm việc :
Trong quá trình làm việc piston chịu lực khí thể và lực quán tính rất lớn ,các lực này đều thay đổi theo chu kỳ , đồng thời có tính chất va đập mạnh ,nhất là trong động cơ cao tốc . (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Do nhiệt đô làm việc của piston tơng đối cao mà chốt piston không đợc xoay tròn trong bệ đỡ nên rất khó bôi trơn, ma sát dới dạng nửa ớt chốt piston dễ bị mòn .
Nếu trong quá trình làm việc chốt bị gẫy vỡ ,động cơ sẽ bị h hỏng nghiêm trọng .
2.3.3 Vật liệu chế tạo :
Do điều kiện làm việc hết sức phức tạp nên chế tạo chốt bằng vật liệu tốt để đảm bảo sức bền và độ cứng vững ,chốt piston phải nhiệt luyện theo công nghệ đặc biệt , đảm bảo bề mặt chốt có độ cứng vững cao , chống mòn tốt , nhng ruột chốt phải có độ dẻo để chống mỏi tốt.
Mặt chốt phải mài bóng để tránh ứng suất tập trung khi lặp ghép chốt và đầu nhỏ thanh truyền khe hở phải nhỏ néu không chốt sẽ bị va đập lớn ,dễ bị hỏng.
Vật liệu chế tạo thòng dùng là thép cácbon và thép hợp kim
Các loại thép thờng dùng : 20 ; 20XY ; 15XA ; 15XMA ; 12XH3A ; 118XHMA Thép cácbon và thép hợp kim có thành phần các bon thấp khi nhiệt luyện phải thấm than rồi tôi để bề mặt đạt độ cứng cao
Loại thép cácbon thành phần các bon thấp tơng đối dẻo dễ thấm than nhng sức bền không cao .
Thép cácbon thành phần các bon trung bình nh : 35, 40, 45 cũng thờng dùng chế tạo chốt của động cơ tốc độ trung bình và thấp . Đối với các động cơ đốt trong tốc độ cao thờng dùng chốt piston làm bằng thép hợp kim có hàm lợng các bon thấp
Chốt làm bằng thép cácbon và thép hợp kim có thành phần các bon trung bình sau khi tôi cao tần độ cứng đạt RCm=58 ữ65 ,RCl = 26 ữ 30
Chốt làm bằng thép cácbon và thép hợp kim thành phần các bon thấp sau khi thấm than độ cứng cao RCm=58 ữ62 ,RCl = 26 ữ 30
2.3.4 Kết cấu và kiểu lắp ghép chốt :
2.3.4.1 Kết cấu :
Kết cấu của chốt piston rất đơn giản đều là hình trụ rỗng để cho nhẹ , các chốt chỉ khác nhau ở bên trong chốt
Hình 2.24 : Chốt piston
Hình a : mặt bên trong có dạng hình trụ dễ chế tạo
Hình c,d,e mặt bên trong côn tuy gia công phức tạp hơn nh ng nhẹ hơn và có sức bền đồng đều hơn thờng dùng trong động cơ cao tốc