Piston là gì ? Điều kiện làm việc, vật liệu chế tạo và cách chế tạo Piston

Piston là gì ?

Piston là chi tiết thuộc động cơ ô tô, Piston cùng với các chi tiết khác như xy lanh, nắp xy lanh bao kín tạo thành buồng cháy, đồng thời truyền lực của khí thể cho thanh truyền, cũng như piston nhận lực từ thanh truyền để nén khí. Ngoài ra ở một số động cơ 2 kỳ, piston còn có nhiệm vụ đóng mở các cửa nạp và cửa thải của cơ cấu phối khí.

Trong tiếng việt Piston được gọi là Pít tông

Điều kiện làm việc Piston

Điều kiện làm việc của piston rất khắc nghiệt, cụ thể là :

Tải trọng của lực động học lớn và có chu kỳ :

– Áp suất lớn, có thể đến 420 kg/cm2 hoặc hơn nữa

– Lực quán tính lớn, đặc biệt là ở động cơ tốc độ cao

Tải trọng nhiệt cao 

Do tiếp xúc trực tiếp với khí cháy có nhiệt độ 2200 – 2800 K nên nhiệt độ đỉnh piston có thể đến 500 – 800 K. Do nhiệt độ cao, pít tông bị giảm sức bền hay bó kẹt, nứt, làm giảm hệ số ma sát, gây kích nổ…

Ma sát lớn và ăn mòn hóa học

Do có lực ngang N nên giữa piston và xylanh có ma sát lớn. Điều kiện bôi trơn tại đây rất khó khăn, thông thường chỉ bằng vung téo nên khó bảo đảm bôi trơn hoàn hảo. Mặt khác do thường xuyên tiếp xúc trực tiếp vì sản vật cháy có các chất ăn mòn như các hidric axit nên piston còn chịu ăn mòn hóa học.

Vật liệu chế tạo của Piston

Vật liệu chế tạo Piston phải đáp ứng điều kiên làm việc của nó đó là có độ bền cao, chịu được nhiệt độ cao, độ biến đạng dải nhỏ, ma sát nhỏ. Tất nhiên không có loại vật liệu nào đáp ứng đồng thời các yêu cầu trên. Do đó cần chọn vật liệu tối ưu nhất , so với hợp kim gang thì hợp kim nhôm có độ bền thấp hơn , độ biến dạng dài lớn hơn nhưng hợp kim nhôm có khối lượng riêng nhỏ hơn và cũng có tính đúc tốt như gang. Do đó chọn hợp kim nhôm làm vật liệu chế tạo Piston. Vật liệu chế tạo piston phải bảo đảm cho piston làm việc ổn dịnh và lâu dài trong những điều kiện khắc nghiệt đã nêu trên. Trong thực tế, mội số vật liệu sau được dùng chế tạo piston.

– Gang. Thường dùng gang xám, gang dẻo, gang cầu. Gang có sức bền nhiệt và bền có học khá cao, hệ số giãn nÖ đài nhỏ nên khó bị bó kẹt, dễ chế tạo và rẻ. Tuy nhiên gang rất nặng nên lực quán tính của piston lồi. Do đó gang chỉ dùng để chế tạo piston động có tốc độ thấp. Mặt khác hệ số dẫn nhiệt của gang nhỏ nên nhiệt độ đỉnh piston cao.

– Thép. Thép có sức bền cao nên phải nhẹ. Tuy nhiên hệ số dẫn nhiệt cũng nhớ đồng thời khó đúc nên hiện nay ít được dùng. Một số hãng đã sử dụng thép để chế tạo piston như Ford (Mỹ) hay Junkcr (Đức) trong chiến tranh thế giới hai.

– Hợp kim nhôm. Hợp kim nhôm có nhiều ưu điểm như nhẹ, hệ số dẫn nhiệt lớn, hệ số ma sát với gang (xy lanh thường bằng gang) nhỏ, dễ đúc, dễ gia công nên dược dùng rất phổ biến để chế tạo piston. Tuy nhiên hợp kim nhôm có hệ số giãn nở lớn nên khe hở giữa piston và xylanh phải lớn để tránh bó kẹt. Do đó, lọt khí nhiều từ buồng cháy xuống hộp trục khuỷu, động cơ khó khởi động và làm việc có tiếng gõ khi piston đổi chiều. Ở nhiệt độ cao, sức bền của piston giảm khá nhiều. Ví dụ, khi nhiệt độ từ 288 K lên đến đỉnh 6233 K, sức bền của hợp kim nhôm giảm 6% đến 10%. trong khi đó độ bền ở nhiệt độ này rất ít. Mặt khác piston bằng hợp kim nhôm chịu mòn kém

Cách chế tạo Piston

Để thuận lợi phân tích kết cấu để chế tạo Piston, có thể chia piston thành những phần như đỉnh, đầu, thân và chân piston.

Đỉnh piston có nhiệm vụ cùng với xylanh, nắp xy lanh tạo thành buồng cháy. Về mặt kết cấu có các loại đỉnh piston sau: diện tích chịu nhiệt nhỏ, kết cấu đơn giản. Kết cấu này được sử dụng trong động có diesel buồng cháy dự bị và buồng cháy xoáy lốc

Đỉnh có sức bền lớn. Đỉnh mỏng, nhẹ nhưng diện tích chịu nhiệt lớn. Loại đỉnh này thường được dùng trong động cơ xăng 4 kỳ và 2 kỳ xupap treo, buồng cháy chỏm cầu. Kết cấu đỉnh piston động cơ 2 kỳ quét vòng qua cửa thải. Phía đốc đứng được lắp về phía cửa quét để hướng dòng khí quét lên sát nắp xy lanh rồi vòng xuống ra cửa thải, nhằm mục đích quét sạch buồng cháy.

* Đỉnh lõm có thể tạo xoáy lốc nhẹ, tạo thuận lội cho quá trình hình thành khí hỗn họp và cháy. Tuy nhiên sức bền kém và diện tích chịu nhiệt lớn hơn so với đỉnh bằng. Loại đỉnh này được dùng trong cả động có diesel và động cơ xăng.

Đỉnh chứa buồng cháy : thường gặp trong động có diesel. Đối với động có diesel có buồng cháy trên dĩnh piston, kết cấu buồng cháy phải thỏa mãn các yêu cầu sau đây (tùy từng trường hợp cụ thể :

+ Phải phù hợp với hình dạng buồng cháy và hướng của chùm tỉa phun nhiên liệu để tổ chức tạo thành hỗn hợp tốt nhất

+ Phải lận dụng đưộc xoáy lốc của không khí trong quá trình nén, buồng cháy denta: buồng cháy omega, buồng cháy MAN.

– Đầu đường kính đầu piston thường nhỏ hơn đường kính thân vì thân là phần dẫn hướng của piston. Kết cấu đầu piston phải bảo đảm những yêu cầu sau :

* Bao chùm tối đa cho buồng cháy nhằm ngăn khí cháy lọt xuống các te dầu và đầu bôi trơn từ cac te sục lên buồng cháy. Thông thường người ta dùng xéc măng để bao kín. Có hai loại xec măng là xec mang khí để bao kín buồng cháy và xec măng dầu để ngăn dầu sục lên buồng cháy. Số xéc măng tùy thuộc vào loại động cơ :

Nếu động cơ tốc độ nhỏ, tỷ số nén lớn, đường kính xylanh lớn thì số xec măng nhiều hơn.

Xec măng dược lấp lỏng trong rãnh xecmăng nên có tự xoay trong rãnh để xylanh không bị mòn cục bộ.

* Tản nhiệt tốt cho piston vì phần lồn nhiệt của pision truyền qua xec măng cho xylanh đến môi chất làm mát. Để tản nhiệt tốt thường dùng các kết cấu đầu piston sau :

+ Phần chuyển tiếp giữa đỉnh và đầu có bán kính R lớn

+ Dùng gân tân nhiệt ö dưới đỉnh pision

+ Tạo rãnh ngăn nhiệt.ở đầu piston để giảm nhiệt lượng truyền cho xec măng thứ nhất (chi tiết làm việc ở điều kiên khắc nghiệt nhất).

+ Làm mát đỉnh piston

Trong những động cơ cỡ lớn, đỉnh piston rỗng được làm mát bằng dầu lưu thông

Sức bền cao. Dễ tăng sức bền và độ cứng vững cho bệ chốt piston thiết kế các gân trợ lực

Thân piston có nhiêm vụ dẫn hướng cho piston chuyển động trong xylanh.

Chiều cao h của thân được quyết định bởi điều kiện ấp suất tiếp xúc, do lực ngang N gây ra, phải nhỏ hơn áp suất tiếp xúc cho phép + ly tâm chốt được bố trí sao cho pít tong và xylanh mòn đều, đồng thời giảm va đập và gõ khi piston đổi chiều. Một số động cơ có làm chốt piston lệch với tâm xylanh một giá trị e về phía nào đó sao cho lực ngang giảm để hai bên chịu lực N của piston và xylanh mòn đều.

Chống bó kẹt piston. Có nhiều nguyên nhân gây bó kẹt piston trong xylanh, cụ thể do

+ lực ngang

+ lực khí thể

+ kim loại giãn nỡ

Do những nguyên nhân trên piston thường bị bó kẹt theo phương tâm chốt piston. Đối với piston bằng hợp kim nhôm, hệ số giãn nó dài lớn nên càng dễ xảy ra bó kẹt.

Để khắc phục hiện tượng bó kẹt piston người ta chế tạo piston

+ Chế tạo thân piston có dạng ô van, trục ngắn trùng với tâm chốt

+ Tiện vát 2 mặt ở bệ chốt chỉ để lại một cung = 90 độ – 100 độ để chịu lực mà không ảnh hưởng nhiều đến phân bố lực

+ Xẻ rãnh giãn nở trên thân piston. Khi xẻ rãnh người ta không xử hết để bảo đảm độ cứng vững cần thiết và thường xẻ chéo để tránh cho xy lanh bị gồ xước. Khi lắp phải chú ý để bề mặt thân xẻ rãnh về phía lực ngang N nhỏ. Loại piston này có ưu điểm là khe hỗ lúc nguội nhỏ, động cơ không bị gõ, khởi động dễ dàng, Nhưng khi xẻ rãnh, độ cứng vững của piston giảm nên phương pháp này chỉ dùng ở động có xăng

+ Đúc hợp kim có độ giãn nở dài nhỏ (ví dụ, hộp kim inva có hệ số giãn nở dài chỉ bằng 1/10 của họp kim nhôm) vào bệ chốt piston hạn chế giảm nhỏ thân theo phương vuông góc với tâm chốt

– Chân piston là một kết cấu điển hình của chân piston. Theo kết cấu này, thân có vành đai để tăng độ cứng vững. Mặt trụ a cùng với mặt đầu chân piston là chuẩn công nghệ khi gia công và là nói điều chỉnh trọng lượng của pision sao cho đồng đều giữa các xylanh. Độ sai lệch về trọng lượng đối với động cơ ô tô máy kéo không quá lớn