مکانیک خودرو تخصصی -بخش 12

پیستون:

پیستون قطعه‌ای است که وظیفه تبدیل فشار ناشی از احتراق سوخت و هوا با ماهیت سیالاتی به نیرو با ماهیت جامداتی را بر عهده دارد و صرفا دارای حرکت خطی است. به دلیل اینکه پیستون فقط دارای حرکت خطی است لذا مطابق شکل 1 در نقاط TDC و BDC دارای حداکثر شتاب می‌شود که اگر این مقدار شتاب در جرم پیستون، گژن‌پین و دو سوم بخش بالایی شاتون ضرب شود نیرویی را تولید می‌کند که به نیروی اینرسی پیستون معروف است و اگر از مقدار مشخصی زیادتر شود، باعث شکست شاتون می‌شود و شاتون وارد بدنه موتور شده و بدنه موتور هم آسیب می‌بیند و نهایتا موتور متوقف می‌شود که به این حالت شاتون زدن موتور می‌گویند.

شکل 1-نیروی اینرسی پیستون

رابطه 1 نیروی اینرسی پیستون را نشان می‌دهد.

طراح موتور احتراق داخلی تلاش می‌کند تا در حد توان این مقدار نیرو را کاهش دهد تا آسیب قطعات موتور کمتر شود لذا بهینه‌سازی مواد و ابعادی پارامترهای مجاز را به شرح زیر مدنظر قرار می‌دهد.
mجرم قطعات رفت و برگشتی شامل پیستون، گژن‌پین و دو سوم جرم بالای شاتون که در حد توان باید کاهش یابد.
aشتاب خطی قطعات رفت و برگشتی که بستگی به دور موتور دارد و نمی‌توان آن را زیاد محدود کرد.
rشعاع لنگ میل‌لنگ از پارامترهای مهم عملکرد موتور است به نحوی که با زیاد شدن این پارامتر، موتور تبدیل به موتور گشتاورساز می‌شود در حالیکه با کاهش این پارامتر، موتور به موتور دورساز تبدیل می‌شود و به همین دلیل نمی‌توان آن را به راحتی تغییر داد.
ωسرعت زاویه‌ای میل‌لنگ است که به راحتی قابل محدودسازی نیست ولی طراح موتور ناحیه بعد از 6 هزار دور بر دقیقه را داخل دورسنج موتور مطابق شکل 2 قرمز رنگ می‌کند تا به راننده هشدار دهد که اگر دور موتور وارد این منطقه شود احتمال شاتون زدن وجود دارد.

شکل 2-ناحیه قرمز رنگ دور موتور

ρچگالی قطعات رفت و برگشتی موتور است که در این بین آلیاژ پیستون از جنس مواد سبک یا آلیاژ آلومینیوم انتخاب می‌شود.
vحجم قطعات رفت و برگشتی موتور و بخصوص پیستون است که سعی می‌شود در حد توان حجم پیستون کاهش یابد.
شکل 3 میزان نیروی اینرسی پیستون در دورهای 3، 4 و 5 هزار دور بر دقیقه در 720 درجه از گردش میل‌لنگ را نشان می‌دهد.

شکل 3-نیروی اینرسی پیستون در دورهای 3، 4 و 5 هزار دور بر دقیقه

با توجه به موارد فوق و ذکر مجدد این نکته که جنس پیستون از آلیاژ آلومینیوم است و از طرفی جنس بوش سیلندر از چدن است، در هنگام گرم شدن موتور، پیستون دچار انبساط بیشتر و بوش سیلندر دچار انبساط کمتری شده و پیستون داخل سیلندر قادر به حرکت نخواهد بود از طرفی اگر لقی پیستون و سیلندر هم زیاد در نظر گرفته شود، حرکت جانبی پیستون داخل سیلندر زیاد می‌شود و باعث ضربه زدن پیستون به سیلندر و نهایتا شکستن پیستون می‌شود. از آنجایی که هنگام حرکت پیستون به سمت بالا و پایین، نیروی شاتون فقط به سطوح پیستون و سیلندر که عمود بر گژن‌پین هستند اعمال می‌شود و هیچ نیرویی به سطوح سیلندر و پیستون که در راستای گژن‌پین هستند اعمال نمی‌شود، لذا مطابق شکل 4 قطر پیستون در راستای عمود بر گژن‌پین را از قطر پیستون در راستای گژن‌پین را بیشتر در نظر می‌گیرند تا لقی بین سیلندر و پیستون در حالت سرد بودن موتور و در راستایی که نیرو تحمل می‌کند(عمود بر گژن‌پین) کم شده و از ایجاد سر و صدا و شکستن پیستون جلوگیری شود و هنگام گرم شدن پیستون نیز تا جایی که امکان دارد قطر پیستون در راستای عمود بر گژن‌پین افزایش می‌یابد و مابقی انبساط پیستون از ناحیه قطر پیستون در راستای گژن‌پین جبران می‌شود.

شکل 4-تفاوت قطر پیستون در راستای عمود بر گژن‌پین و در راستای گژن‌پین

از طرفی قسمت سر پيستون در معرض حرارت مستقیم ناشي از احتراق سوخت و هوا است و طبیعتا دچار انبساط بیشتری می‌شود لذا قطر سر پیستون از قطر دامنه پیستون مطابق شکل 5 کوچکتر در نظر گرفته می‌شود تا بعد از رسیدن دمای پیستون به دمای نرمال، پیستونی که در حالت عادی یک مخروط بیضوی است به یک استوانه کامل تبدیل شود. ملاحظه می‌شود که لقی سر پیستون و سیلندر در حالت سرد به میزان e1 بوده است که در حالت گرم شدن موتور این مقدار لقی به e2 تبدیل می‌شود و انطباق پیستون و سیلندر بهبود می‌یابد.

شكل 5-تفاوت قطر سر پیستون و دامنه پیستون در حالت سرد و داغ

با توجه به شكل 6 بعضا شيارهاي افقي و عمودي روي ديوارة پيستون ايجاد مي‌كنند. شیارهای افقی از انتقال حرارت مستقیم سر پیستون به دامنه پیستون پیشگیری می‌کند و شیارهای عمودی نیز انعطاف‌پذیری پیستون در مقابل ضربات احتراق را بیشتر می‌کند تا طول عمر پیستون افزایش یابد.

شكل 6-شيار افقی و عمودی پيستون

با توجه به موارد فوق و مطابق شكل 7 بايد بين پيستون و سيلندر نيز لقي مناسبي را در نظر گرفت تا با تغيير ابعاد پيستون و سيلندر به دليل تغيير دما، پيستون درون سيلندر گير نكند. لقي تقريبي بين سيلندر و پيستون، بايد بين0/03 تا0/1 ميلي متر با توجه به نوع و جنس پيستون باشد به نحوي كه نیروی مورد نیاز برای خارج کردن فيلر بين 20 تا 35 نيوتن باشد.

شكل 7-اندازه گيری لقی بين سيلندر و پيستون

با توجه به موارد فوق و شكل 8 حرکت پیستون در داخل سیلندر با حداقل لقی مجاز در جهت عرض موتور همراه می‌شود و بنابراین امکان آسیب‌پذیری پیستون نیز کاهش می‌یابد ولی همچنان در زمان تغییر زاویه شاتون برای تبدیل حرکت پیستون به سمت بالا به حرکت پیستون به سمت پائین در اطراف نقطه مرگ بالا(انتهای کورس تراکم و ابتدای کورس احتراق)، ضربات عرضی شدیدی در کورس احتراق به پیستون وارد می‌شود که بعضا باعث شکست و آسیب‌دیدگی شدید پیستون، رینگ‌ها و سیلندر می‌شود.

a)كورس تراكم b )پیستون درTDC c )كورس قدرت
Fs : مولفة جانبي نيروي شاتون در کورس احتراق
Fc : نيروي شاتون در کورس احتراق
1-نيروي احتراق 2-خط مركزي سيلندر، پيستون، گژن پين و میل‌لنگ 3-سمت فشاری یا پر فشار سیلندر و پیستون 4-لقي بين سيلندر و پيستون 5-سطح كم فشار پيستون 6-نيروي شاتون در کورس تراكم 7-مولفة جانبي نيروي شاتون در کورس تراکم 8-فشار تراكم 9-نيروي مخلوط سوخت و هوای متراکم شده در کورس تراکم
شكل 8-رفتار پيستون، شاتون و گژن پين در انتهای كورس تراكم و ابتدای کورس احتراق

با توجه به شكل 8 حالت a ملاحظه مي‌گردد كه در كورس تراكم، شاتون، پیستون را ضمن آنكه به سمت بالا حركت مي‌دهد، به سمت راست سيلندر نيز فشرده می‌کند، از اين رو در كورس تراكم سمت راست سيلندر تحت فشار و سايش قرار مي‌گيرد و به اين سمت از سيلندر، سمت كم فشار سيلندر و پيستون گفته مي‌شود در حالي‌كه به سمت چپ پيستون و سيلندر در این حالت نيرويي اعمال نمي‌شود.
در حالتb از شكل 8 پيستون در نقطه مرگ بالا يا TDC قرار گرفته است و در اين حالت نيرويي به سمت چپ و راست سيلندر و پيستون اعمال نمي‌شود و عملا تماسی بین پیستون و سیلندر وجود ندارد.
به محض آنكه زاوية شاتون مطابق حالت c از شكل 8 به سمت كورس احتراق منحرف مي‌گردد، فشار انفجارگونه احتراق، باعث حركت سريع پيستون به سمت چپ سيلندر شده و علاوه بر ضربه‌زنی تولید صدا نیز در پی دارد و از این‌رو، سمت چپ سيلندر را به شدت تحت فشار و سايش قرار مي‌دهد، از اين رو سمت چپ سيلندر را سمت فشاري یا سمت پر فشار پيستون و سيلندر مي‌نامند.
براي كاهش سر و صداي كوبش پيستون به سيلندر و همچنين كاهش سايش سمت چپ سيلندر و پيستون، مطابق شكل 9 مركز گژن‌پين را از خط مركزي پيستون تغيير داده و به سمت چپ سيلندر نزديك مي‌كنند.

a)كورس تراكم b )پیستون درTDC c )كورس قدرت
1-سمت پرفشار سيلندر 2-کج شدن پيستون در نقطه TDC و تکیه بر گوش‌ها بالا راست و پایین چپ 3-مقدار انحراف گژن‌پين به سمت چپ پيستون 4-سمت كم فشار سيلندر 5-فشار مخلوط سوخت و هوا در کورس تراکم
شكل 9-انحراف گژن‌پين به سمت چپ پيستون و سيلندر و كاهش ضربه و سايش سمت چپ سيلندر و پيستون

در اين حالت با توجه به وضعيت a شكل 9 توزيع فشار تراكم و احتراق در سمت راست سر پيستون بيشتر از سمت چپ سر پيستون است. از اين‌رو در كورس تراكم پيستون به قسمت راست سيلندر تكيه بيشتري نسبت به حالت ‌a شكل 8 كرده و نيروي جانبي بين سمت راست سيلندر و پيستون بيشتر مي‌شود. هنگامي كه مطابق حالت b از شكل …… پيستون به TDC مي‌رسد، به دليل توزيع فشار غير متقارن روي سر پيستون، پيستون كج شده و قسمت بالا راست و پايين چپ پيستون با ديواره سيلندر درتماس قرار مي‌گيرد. با انحراف شاتون از حالت قائم در كورس احتراق مطابق حالت c از شكل …..، پيستون به تدريج از حالت كج‌شدگي به سمت چپ سيلندر تمايل پيدا مي‌كند و عمل ضربه‌زني و سايش سمت چپ سيلندر و پيستون كاهش مي‌يابد و به عبارتی حرکت انتقالی ناگهانی پیستون از سمت راست به سمت چپ تبدیل به حرکت دورانی تدریجی پیستون می‌شود و از آسیب دیدن پیستون پیشگیری می‌شود. از طرفی حین پايين رفتن پيستون نيز به خاطر كم بودن فشار وارد برسمت چپ سر پيستون نسبت به فشار وارد برسمت راست سر پيستون، نيروي اعمالي بين سيلندر و پيستون در سمت چپ، كمتر از حالت c شكل 8 شده و بنابراين سايش سمت راست و چپ سيلندر و پيستون يكنواخت‌تر مي‌شود.
از طرفي بايد توجه داشت در اين حالت پيستون به صورت ناگهاني از سمت راست سيلندر به سمت چپ سيلندر منحرف نمي‌شود، بلكه تغيير وضعيت پيستون طي يك فرآيند تدريجي و دورانی صورت مي‌گيرد، به طوری كه پيستون در کورس تراکم به سمت راست سیلندر تکیه کرده و در مجاورت TDC، پیستون فرآیند کج شدن را دنبال کرده و پس از عبور از TDC، پیستون دوباره از حالت کج شدن به طور تدریجی عبور کرده و سپس به صورت ملایم، پیوسته و تدریجی به سمت چپ سيلندر تكيه مي‌كند و در نهایت منجر به کاهش ضربه، سر و صدا و سایش بیش از حد می‌گردد.

شکل 10-علائم حک شده بر روی پیستون برای نصب صحیح آن داخل سیلندر