Stempel (mekanisk)

Stempelet er et frem- og tilbakegående rettlinjet bevegelses-animert element av den roterende trykksveivmekanismen til en frem- og tilbakegående maskin (for eksempel en dampmotor , en motor med styret tenning , en dieselmotor , en Stirling-motor ), som trykket til en væske virker på.

Stempeldeler

Stempelet til en forbrenningsmotor består av:

Mantel : lateral del av stempelet, en sylindrisk solid som har:
- Stempelringsseter og oljeskraper : riller i øvre del ved siden av himmelen.
- Pinnens kapasitet : hull i senterlinjen til foringsrøret. Jo mer aksen som krysser dem passerer nær stempelets tyngdepunkt, jo mer reduseres fenomenet med klokkeringingen, det vil si de oscillerende bevegelsene som oppstår under slaget.
Topp : øvre del av stempelet, utgjør den nedre delen av forbrenningskammeret.
Pinne : pinne som muliggjør kinematisk kobling med koblingsstangen .
Stempelringer : metallringer satt inn i spesialbearbeidede slisser på stempelets ytre diameter, hvis oppgave er å garantere den beste tetningen til trykket som genereres ved forbrenning.
Skrapering : en annen tetningsring hvis spesifikke funksjon er å fjerne overflødig smøreolje fra sylinderforingen, redusere hydrodynamisk friksjon og muligheten for å overføre smøremiddel inn i forbrenningskammeret.

Tiltak

Stempelet måles i forskjellige deler:

Diameter eller boring, mål nødvendig for riktig kobling med sylinderen
Kompresjonshøyde måler den delen av skjørtet som er plassert i den øvre delen av stempelet, fra midten av stempelpinnen til den øvre kanten av skjørtet
Himmelform typen hode er generelt angitt med bokstaver, slik at det lett kan skilles.
- Hodemåling måling av høyden på himmelen, fra den øvre kanten av mantelen til den høyeste høyden av kronen. I spesielle tilfeller (spesielt med Heron eller Diesel brennkammer) kan verdien være negativ.
Total lengde måler hele lengden av stempelet, som er gitt av både skjørtet og profilen til stempelkronen
Segmenttype Typen seter og kompatible bånd er generelt merket med bokstaver, slik at de lett kan skilles fra hverandre
- Antall segmenter angir hvor mange kontorer som er til stede
- Segmenthøyde indikerer høyden på segmentet
Pinnediameter indikerer pinnestørrelsen
Pinnelengde angir hvor lang denne er

Produksjon

Produksjonen er forskjellig for typen konstruksjon av stempelet, som kan være:

Støpt i skall eller mer enkelt Cast , hvor legeringen helles av tyngdekraften inn i formen, men det finnes en variant hvor sentrifugalkraften utnyttes og hvor formen roterer og påfører en lett kompresjon av den smeltede legeringen
Formstøpt brukes legeringen først til å lage stempelemnet som deretter utsettes for trykk via en presse, for ytterligere å tilnærme legeringsmolekylene, som et resultat er det en mellomting mellom støpegods og smiing.
Smidd , legeringen varmes opp til smeltepunktet og presses gjennom en klubbe til et høyt trykk inne i formen, denne teknikken, sammenlignet med støping, gir en mer kompakt legering og rikere på molekylære bindinger, som for samme volum den er. tyngre, men ekstremt mer motstandsdyktig, noe som gjør det mulig å lage enda lettere og sterkere stempler (minimale forskjeller) enn spindlene.

Stempelform

Den virkelige kalde formen til stempelet er ikke sylindrisk, da fordelingen av masse og driftstemperaturer er ujevn, og dette fører til ujevn utvidelse. Formen er mer eller mindre konisk avkortet i snitt (i virkeligheten er den maksimale diameteren vanligvis omtrent 10 mm fra den nedre kanten av mantelen) og oval i plan, der den nedre aksen går gjennom tappen og dens kapasiteter. Den nøyaktige formen for hver motor og applikasjon er definert med datasimuleringer og funksjonstester, slik at den ved driftstemperatur antar riktig form for å garantere minst mulig svingninger i tønnen, riktig smøring, lavest friksjon og mest effektiv forbrenningsgasstetthet .

Spesielle skjemaer

I tillegg til de klassiske formene er det også stempler, vanligvis for roterende motorer, hvor formen er helt annerledes, som i tilfellet med Wankel-motoren , hvor stemplet eller rotoren har en trochoidal form, men det er også tilfellet med en klassisk motor (stempel alternati) hvor disse, i stedet for den vanlige runde delen (sammen med den til den relative sylinderen), har en oval profil. Det er den som brukes på Honda NR - motorsykler , både i konkurranser og for veibruk.

The Piston Skirt

Høyden på skjørtet, derfor den delen av stempelet som er i kontakt med sylinderen er veldig viktig, for jo mindre skjørt du har, jo mer friksjon reduseres og stempelet er lettere, men hvis skjørtet reduseres for mye, har du muligheten for at den mister funksjonene sine.

Når det gjelder 2-takten, hvis skjørtet er for kort foran eksosåpningen, genereres det en blandingslekkasje fra eksosrøret eller infiltrasjon av eksosgassene og følgelig tap av motoreffekt, hvis det i stedet er for lang. på hoftene reduserer det overføringskapasiteten , og reduserer også kraften i dette tilfellet.

Når det gjelder 4-takten, hvis skjørtet er veldig lite, med drift på høyt turtall og under stress (sammen med mulig slitasje på delene) kan stempelet snu og få hele motoren til å knekke, noe som gjør den ubrukelig.

Tiltak

For å øke ytelsen til motoren kan stempelet formes på forskjellige måter:

Formet kappe nederst . Ved firetakteren er dette området formet slik at kortere forbindelsesstenger kan benyttes, mens det i totakteren er formet slik at det lar passasjen være fri for overføringene.
En del av kappen er ikke i kontakt med sylinderen . I dette tilfellet kan reelle deler av mantelen mangle på de punktene hvor dette ikke er absolutt nødvendig, eller rett og slett, noen deler av den ikke kommer i direkte kontakt med sylinderen. Uansett er disse delene passende omgitt av de andre som i stedet kommer i kontakt med sylinderen for å opprettholde riktig kobling. Ved å minimere kontakten mellom skallet og sylinderveggen kan friksjonen reduseres og derfor kan varmen som produseres av den reduseres. Vanligvis er delene av skallet som ikke er i direkte kontakt med sylinderen de som er nær stiftinnføringshullene.
Perforering eller fenestrering av mantelen . Det består i å lage hull eller fenestrationer i mantelen. Når det gjelder firetakten, er disse hullene anordnet på setet til oljeskraperingen, for å kunne samle opp mer olje, mens for totakteren brukes disse åpningene for å forbedre smøringen av den lille enden eller kjølingen eller funksjonaliteten til overføringsportene eller fasene i motorens driftssyklus, for eksempel suging
Bruk av selvsmørende materiale . Den består i å produsere en del av stempelskjørtet med et belegg av materiale som er i stand til å smøre seg selv, denne enheten gjør det mulig å utføre en raskere innkjøring og redusere risikoen for anfall .
Renne på lossesiden . Denne løsningen brukes bare på enkelte totaktsmotorer og har fordelen av å tillate en større eksostiming, uten å måtte øke høyden på eksosåpningen på sylinderen, og tillater også å ikke påvirke den volumetriske effektiviteten for mye sammenlignet med en eksosåpning. Med samme timing, men høyere, tillater det også en mer konstant del av eksosåpningen og mindre turbulens i gassene i utløpet, spesielt i begynnelsen av åpningen.
På den annen side forverrer det formen på forbrenningskammeret, holder en større mengde drivstoff på siden av kammeret og reduserer squish-effekten til hodet, siden det vanligvis ikke er en løsning som brukes av produsenter, men oppnådd med håndverk. , er det ingen profil på hodet spesielt designet for det, noe som reduserer den termiske effektiviteten og er grunnen til at denne løsningen har gått ut av bruk.
Forskjøvet stiftsete . Med denne framsyningen prøver vi å redusere stempelstøyen ved å gjøre passasjen av støtten fra den ene siden av sylinderen til den andre mer gradvis, skape eller ikke engang en skrå sveivmekanisme [1] , den kan også brukes i stempler som har den skråstilte kronen for å redusere dreiemomentbevegelsen og rotasjonen av stempelet under de ulike fasene, ettersom kraften som følger av kronens plan genererer en vektor som ikke passerer gjennom et sentrert stempelsete.
Keystone maskinerte pinnekapasiteter (trapesformet koblingsstangsete) stempelkapasitetene er maskinert på en slik måte at de er mindre voluminøse i den nedre delen av stempelet, for å lette smøringen av stempeltappen, forbedre kjølingen av den nedre delen av kronestempelet gjennom smørestrålene og redusere vekten av stempelet og de vekslende massene.

Stempelkronen

Stempelkronen kan ha forskjellige former:

Cupa konisk stamme . Denne typen er den som krever mer prosessering og gir best termisk utbytte og turbulensskaping, men den er også dyrere. Det er et stempel med en avkortet konisk krone med den mest sentrale delen mørk (konkav), som kan oppnås ved bearbeiding (Tronco conica) eller støping (avrundet).
Invessa eller Cupa . I dette tilfellet er kronen konkav og konkaviteten kan utvides til hele overflaten av stempelet eller begrenses til den mest sentrale delen av den. Det gjør det mulig å samle blandingen bedre i midten av forbrenningskammeret og forbedre forbrenningen, dessuten bedre utnytte de brente gassene, konsentrere dem i midten av forbrenningskammeret, noe som gir mindre belastning på stempelringene. Denne typen tak er kompatibel med alle typer hode.
Cupa blære (kun i motorer med direkte innsprøytning på stempelet). Denne konformasjonen brukes hovedsakelig i dieselmotorer. Himmelen er flat, med et mørkt område (begrenset til det mest sentrale, men noen ganger desentraliserte området) i midten av hvilket det er en kjegle eller fremspring av andre former, slik at injektorstrålen samles så mye som mulig i stempelet, som selv vil utgjøre forbrenningskammeret, siden den delen av himmelen rundt konkaviteten er nesten i kontakt med sylinderhodet.
Konisk stamme . Himmelen er formet som en avkortet kjegle , og er preget av den mindre bunnen oppover og flat. Denne typen har egenskapen til å redusere mengden bensin på sidene av forbrenningskammeret, forbedre squish-effekten (som i det konvekse stempelet), den klarer også å øke dannelsen av turbulens i forbrenningskammeret mer enn noen annen type stempel..
Konisk . Den har evnen til å øke kompresjonsforholdet , forbedre utnyttelsen av forbrenningen, den klarer også å redusere mengden bensin på sidene av forbrenningskammeret, og forbedre squish-effekten.
Denne formen oppnås ved maskinering og stemplene med denne typen krone brukes hovedsakelig til motorer som krever nøyaktige mål.

Bombata . Den har evnen til å øke kompresjonsforholdet , og forbedre utnyttelsen av forbrenningen. Denne kronen, på grunn av sin form, tillater et avvik oppover av den ferske blandingen, likt deflektorstemplene. Formen er gitt ved fusjon og i de økonomiske modellene er camberen begrenset til midten, slik at resten av himmelen blir nesten flat, mens den i de høyere ytelsesmodellene strekker seg over hele himmelen, men med en mindre krumningsradius og faktisk forblir veldig lavt.
Flat . Den er den billigste å produsere, både som prosessering og som studie, siden den ikke belaster stempelet for mye. For å øke ytelsen er det nødvendig å utvikle dedikerte sylinderhoder , mer enn for andre typer stempel, fordi den flate formen genererer mindre turbulens og krever større tenningsfremskritt.
Med ventilseter (kun for motorer med tallerkenventiler på sylinderhodet). Formen på toppen er avrundet eller flat og har spesielle seter for å tillate bevegelse av tallerkenventilene i dem, for å få en forsinkelse i lukking eller tidlig åpning av selve ventilene.
Med deflektor (kun for totaktsmotorer). Taket har en deflektor som ikke lar den friske ladningen som kommer fra veivhuset blandes med de brente gassene. Denne typen tak brukes ikke lenger på grunn av de utallige ulempene, som desentraliseringen av vekten til stempelet, bulken, noe som kompliserer formen på forbrenningskammeret (og dermed hodet) og økningen i den eksponerte overflaten. til forbrenning.
Skråstilt er det et stempel med himmelplanet skrått i forhold til aksen, dette arrangementet er veldig spesielt og brukes sjelden, et eksempel på bruk er i W-motoren til Bugatti Veyron [2] [3] eller Lancia Fulvia , quest Sistnevnte hadde en 12°V-motor og et enkelt sylinderhode, som er grunnen til at stempelet har et skrånende toppplan [4] .

I tillegg kan stempelkronen, avhengig av de ulike behovene, ha prosesser:

Mikrohull for kommunikasjon med setet til stempelringene, stempelkronen har små hull som tillater kommunikasjon med setet til ringene, mer presist bak dem, tillater ytterligere å øke effekten av de brente gassene, som selv uten disse hullene de insinuerer over og inne i stempelringen og presser den ytterligere mot sylinderen, disse hullene tillater både å fremskynde prosessen og øke tetningen og følgelig redusere lekkasje av gasser til veivhuset (blow-by).
Eksossidefas, en prosess som brukes på noen nedlagte 2-taktsmotorer, som gjør at eksosfasen kan økes uten å heve eksosåpningen på sylinderen, og dermed oppnå en reversibel modifikasjon ved ganske enkelt å erstatte stempelet, men som har en tendens til å redusere squish effekt på en del av forbrenningskammeret.

Design [5] [6] [7]

Utformingen av stempelet må ta hensyn til ulike faktorer, som bestemmelsen av det termiske feltet det er utsatt for og behandlingene som kan variere dets egenskaper, faktisk har stemplene en driftstemperatur som varierer fra 300 ° C for toppen (del sentralt) til 100 ° C for den nedre delen av skallet, som i sin øvre del kan nå 200 ° C, fører denne temperaturforskjellen også til en annen utvidelse, faktisk er diameteren til stempelet ved 20 ° C større i sin del lavere forekommer forskjellene mellom toppen og mantelen også når det gjelder spenningene, faktisk er toppen utsatt for større påkjenninger på grunn av forbrenning.

Denne fordelingen av varme og differensiert ekspansjon i de forskjellige områdene tvinger bruken av forskjellige stempelprofiler og i noen tilfeller spesielle materialer eller flere materialer, for å oppnå en kobling som er så konstant som mulig ved de forskjellige driftstemperaturene til de forskjellige delene, noe som muliggjør både for å redusere driftsstøy og oljeforbruk [8] .

Skade på stempelet

Ulike skader kan oppstå på denne mekaniske komponenten, som krever utskifting:

Anfall . Det oppstår når stempelet utvider seg for mye på grunn av varmen og bryter smøremiddelfilmen på overflaten av sylinderen med påfølgende blokkering av motoren. Under disse forholdene kan det også oppstå skader på de andre delene av selve motoren.
Klemming . Dette skjer når stempelet mekanisk treffer motorhodet eller når motoren holdes under en overdreven belastning for lenge, noe som deformerer stempeltappsetene og skaper koblingsspill som er skadelig for levetiden og motorytelsen.
Pitting . Det oppstår når det dannes små avleiringer på toppen (lett merkbare ved berøring) som består av dråper av stempelmaterialet som stammer fra delvis smelting av sistnevnte på grunn av lokal overoppheting. Over tid kan gjentakelsen av dette fenomenet også føre til et hull på himmelen.
Fusion eller Hole in the Sky . Ovennevnte boring kan også skje på grunn av en overdreven fremgang av tenningstidspunktet, for mager forgasser, detonasjon eller fortenning : alle tilfeller der det er en veldig tidlig forbrenning og som avsluttes før TDC, noe som øker temperaturen på toppen av stempelet og fører først til en fordypning og deretter til punkteringen.

Materialer

Stemplene kan være laget av forskjellige materialer eller med forskjellige løsninger, generelt er den vanligste løsningen realisering i et enkelt materiale, den mest brukte er aluminium, i sine forskjellige legeringer, generelt en AlSi-legering med forskjellige konsentrasjoner av silisium (vanligvis fra 12 til 21 %) [9] , hvor legeringene med en høyere konsentrasjon av silisium (> 12,5 % er definert som hypereutektiske) tillater å redusere den termiske ekspansjonen og brukes generelt til produksjon av støpte stempler, andre legeringer kan aluminium 2618 eller 2618A (AlCu [10] og med reduserte silisiumkonsentrasjoner <2%) for varmsmidde stempler [11] eller 4032 (12,5% silisium [12] ) igjen for smidde stempler høy ytelse [13] .

En relativt ny og kompleks løsning er produksjon av bimetallstempler eller clutcher, for eksempel en lamellformet støpejernsring i stempelringens første spor, eller foringer i samsvar med stempeltappsetet, når det gjelder bimetallstemplene som stempler med en stålkrone og aluminiumsskall, disse to komponentene er laget separat og holdes sammen av pinnen [14] , en annen spesiell løsning er å lage keramiske stempler. [15]

Tidligere, før 1950-tallet, ble stål og støpejern også brukt til å lage stempler; for tiden er bruken av disse metallene begrenset til noen få tilfeller. [15]

Aluminiumlegeringsstempler er laget på denne måten fordi rent aluminium ikke har tilstrekkelige egenskaper til å støtte arbeidet som kreves av en endotermisk motor, og det er derfor den er bundet med andre elementer, inkludert: [16]

Kalsium , øker porøsiteten til legeringen.
Jern øker styrken, men reduserer duktiliteten.
Magnesium forbedrer korrosjonsmotstanden, fremmer duktilitet og bearbeidbarhet, på den annen side gjør støpingen mer kritisk da legeringen i denne fasen har en tendens til å oksidere og har en tendens til å innlemme urenheter av oksider, det øker også sprøheten under krymping, men disse legeringene er varmebehandles som øker den mekaniske styrken
Mangan øker den mekaniske motstanden til de smidde legeringene og reduserer følsomheten for intergranulær korrosjon og korrosiv spenning, men i tilfelle av intermetalliske forbindelser reduserer det duktiliteten.
Nikkel , øker de mekaniske egenskapene når det er varmt.
Kobber , forbedrer motstanden mot høye temperaturer i støperilegeringer, reduserer termisk utvidelseskoeffisient, men reduserer fluiditeten til legeringer, kan redusere duktilitet og korrosjonsmotstand, varmebehandling forbedrer deres hardhet.
Silisium , tillater både en bedre støping av legeringen i formen, og for å gi større motstand mot slitasje og mindre ekspansjon når den er varm.
Strontium , tillater dannelse av kuleformet og veldig fint silisium, øker seighet, bearbeidbarhet og reduserer tendensen til å danne krympende hulrom.
Titan , reduserer tendensen til varm sprekkdannelse i støperilegeringer.

Merknader

^ Teknikk: Hva er klokkespillet til stempler
^ Bugatti Veyron Motor On A Budapest Street , på italian.autoao.com . Hentet 6. mars 2014 (arkivert fra originalen 6. mars 2014) .
^ Motor Bugatti Veyron W16 , på YouTube . Hentet 6. mars 2014 .
^ Motoren til Lancia Fulvia , på alma.it. Hentet 1. juli 2017 (arkivert fra originalen 10. november 2016) .
^ Tretthet ved høy temperatur og med høyt antall sykluser av aluminiumslegeringer for motorapplikasjoner
^ Matematiske og numeriske modeller for tilnærming av varmevekslinger i et motorsykkelstempel Arkivert 18. april 2013 på Internet Archive .
^ Stempler for forbrenningsmotorer i keramisk materiale
^ Testmekanikerhåndbok
^ Die Cast Pistons , på meteorpiston.com . Hentet 13. februar 2014 (arkivert fra originalen 21. februar 2014) .
^ Sammenligningstabell for aluminiumslegeringer
^ Støpt eller smidd Hva er bedre og hvorfor? , på it.vertexpistons.com . Hentet 13. februar 2014 (arkivert fra originalen 22. februar 2014) .
^ EN AW-4032
^ Forged Performance Pistons , på meteorpiston.com . Hentet 13. februar 2014 (arkivert fra originalen 21. februar 2014) .
^ Støpte stempler, stemplede stempler, bimetallstempler , på duraldur.it . Hentet 13. februar 2014 (arkivert fra originalen 23. februar 2014) .
^ a b Pistons: et konsentrat av teknologi i stadig utvikling
^ Karakterisering av støperialuminiumslegeringer for motorapplikasjoner

Relaterte elementer

Andre prosjekter

Wikimedia Commons inneholder bilder eller andre filer på stempelet

Eksterne lenker

Termisk belastning på stemplene til en forbrenningsmotor , på ralph-dte.eu .
Teknisk ordbok for bilisme , på staff.nt2.it .
Stempel med mørk posehimmel og en del av mantelen er ikke i kontakt med hele sylinderen Arkivert 1. desember 2007 på Internet Archive . dissekert Arkivert 1. desember 2007 på Internet Archive .
Stempel med avkortet kjeglekrone ( JPG ), på img114.imageshack.us .
Pistone , i Treccani.it - Online-leksikon , Institute of the Italian Encyclopedia.