Cap 09 Proiectarea Segmenýilor

8/19/2019 Cap 09 Proiectarea Segmenýilor

1/16

PROIECTAREA SEGMENŢILOR

Principii de proiectare

Segmenţii au rolul de a realiza etan[area camerei de ardere, de a uniformiza pelicula de uleide pe oglinda cilindrului şi de a transmite cilindrului o parte din căldura preluată de piston de lagazele fierbinţi. Segmenţii care împiedică scăparea gazelor din cilindru în carterul motorului senumesc segmenţi de compresie iar segmenţii care distribuie uniform şi elimină excesul de ulei de pesuprafaţa cilindrului se numesc segmenţi de ungere.

Soluţiile care se adoptă la proiectarea segmentului trebuie să ţină seama de cerinţele impusede siguranţa în funcţionare, durabilitate, eficienţa etanşării şi preţul de cost.

Eficienţa etanşării realizate de segment depinde de presiunea medie elastică (pe) aplicată de

acesta pe oglinda cilindrului în corelaţie cu presiunea gazelor din spatele segmentului. Elasticitateasegmentului se opune tendinţei de întrerupere a contactului proocată de deformările de monta! şi

termice, de uzura suferită de cilindru. Segmentul exercită presiunea pe pe oglinda cilindrului numaidacă este liber în canal, pentru a putea urmări deformaţiile cilindrului.

"a motoarele de turaţie ridicată datorită presiunii radiale mici a gazelor şi ibraţiei trebuiesă se asigure segmentului presiuni medii elastice mărite.

#ărirea presiunii medii elastice a segmenţilor diminuează pulsaţia acestora şi măreştecoeficientul de transfer de căldură spre cămaşa cilindrului. $alori prea ridicate ale presiunii pot

prooca uzuri importante ale segmentului şi cămăşii."a proiectarea segmentului trebuie să se adopte o grosime radială de aloare redusă pentru

a micşora masa acestuia. %acă nu se pot utiliza materiale cu calităţi elastice superioare, se or adopta segmenţi cu grosimi radiale mărite, ceea ce facilitează eacuarea căldurii de la pistoane lacilindri şi elimină ibraţiile radiale. #ărirea grosimii radiale conduce la creşterea tensiunilor deîncooiere în secţiune, de aceea se impune utilizarea unor materiale cu rezistenţa admisibilă laîncooiere ridicată.

&doptarea grosimii axiale a segmentului trebuie să ţină seama de o serie de factori. &stfel, pentru a realiza a bună răcire a pistonului, segmentul trebuie să aibă o grosime axială c't mai mare.

ig..*. Eoluţia grosimii axiale funcţie deturaţia motorului

*+


2/16

"a motoarele de turaţie ridicată creşterea grosimii axiale determină creşterea zonei portsegmenţi a pistonului, cu efecte negatie asupra masei inerţiale ale acestuia, în plus creşte şi masa segmentuluişi acesta intră uşor în pulsaţie şi ibraţie.

%e aceea se recomandă reducerea grosimii axiale a segmentului odată cu creşterea turaţieimotorului (fig..*.).

*+-


3/16

ig..-.orme constructie de segmenţi

ig. .. scema acţiunii de etanşare a segmenţilor

*+/


4/16

0'nă la un aleza! de 1 mm se recomandă funcţie de turaţia motorului a trei clase desegmenţi cu grosimi axiale b2 *,34 ,14 ,3 mm. 0entru aleza!e cuprinse între 1511 [mm6 seconfecţionează segmenţi cu grosimi axiale b2 5/ [mm6.

&legerea numărului de segmenţi ai pistonului trebuie să ţină seama de următoareleconsiderente7 un număr mare de segmenţi nu îmbunătăţeşte etanşarea, ci măreşte numai înălţimea

pistonului cu efecte negatie asupra masei acestuia4 un număr prea mic de segmenţi nu realizează

siguranţa în funcţionare. 8umărul de segmenţi poate fi mărit c'nd se urmăreşte reducerea nielului termic al pistonului.

9olul principal în etanşarea camerei de ardere o are primul segment (fig...), ceilalţisegmenţi a'nd o eficienţă mai redusă. Se apreciază că se realizează o etanşare optimă dacă

presiunea gazelor după ultimul segement este de -5/: din presiunea gazelor din camera deardere, iar olumul de gaze scăpate spre carter este cuprins între 1,5*,1: din olumulîncărcăturii proaspete admise în cilindrul motorului.

"a motoarele cu aprindere prin sc'nteie este suficient un singur segment de ungere care se plasează la partea inferioară a regiunii portsegment, asemenea soluţie se aplică şi la motoarele cuaprindere prin comprimare de turaţie ridicată. ;n cazul #.&.


5/16

uleiului se realizează segmenţi cu dega!ări de (1,351,-1)b pe suprafaţa laterală (01, 0*, 0-,0/, >1, >-, >/).

9ealiz'nd teşirea ambelor mucii ale segmentului se reduce înălţimea de reazem şi secreează efectul de pană la deplasarea segmentului în ambele sensuri4 forma optimă fiind dată desegmentul bombat (?1*5?@-). Segmen6ii cu secţiune nesimetrică (0*1, 0**, 0*, 0-1, 0-, 0+1,>*1, >**, >-1, ?*1, ?**, ?*) se numesc segmenţi de torsiune sau de răsucire.

B soluţie eficientă contra blocării segmentului în canal o constituie segmentul trapezoidalrealizat prin înclinarea feţelor cu 35*11 (fig../.) (0-*, >-*, ?-*).%urabilitatea segmenţilor se măreşte dacă suprafaţa laterală se acoperă cu un strat

protector de crom. ;n acelaşi scop se preăd canale pe suprafaţa laterală în care se introduc inserţiide cositor, bronz sau oxid de fier cu grafit, inserţii care depăşesc suprafaţa segmentului cu 1,1351,*1 [mm6 şi au dimensiunile în secţiune de 1,3 x 1,+ mm. 0entru a mări rezistenţa la solicitărimecanice segmenţii se pot executa din două sau trei piese (0+150+3). #ărirea presiunii elasticeexercitate de segment pe oglinda cilindrului, se poate realiza prin utilizarea şi la segmenţii decompresie a unor expandori (0A*, 0A).

Segmenţii de ungere se clasifică în7 segmenţi cu secţiune unitară sau neperforaţi şi segmenţicu secţiune perforată. Segmentul neperforat eacuează o cantitate mai mică de ulei, segmenţii se

perforează c'nd este necesar să se eacueze o cantitate sporită de ulei. "a segmenţii neperforaţi,suprafaţa de reazem pe oglinda cilindrului se micşorează prin prelucrare conică sau teşireamuciilor (11, 1-, 1-1...1/-, 13*, 13, 1+*...1+-, 1@1) la care se adaugă dega!area pentruraclarea energică (11...1/, 1-*, 131...1@-). "a segmenţii perforaţi înălţimea de reazem semicşorează prin practicarea unor dega!ări şi reducerea adecată a suprafeţei de reazem. "a aceştisegmenţi presiunea elastică are alori cuprinse între 1,*/51,@1 [8Cmm6.


6/16

adaptabilitate la forma cilindrului.onta cenuşie constituie materialul care realizează un bun compromis între aceste cerinţe.

Se utilizează fonta cenuşie cu grafit lamelar.;n unele cazuri c'nd este necesară o rezistenţă mecanică ridicată se utilizează oţelul.&plicarea pe segment a unor straturi superficiale dure măreşte rezistenţa la uzare, cromarea

poroasă reduce uzura segmentului de 53 ori, şi se aplică în general segmentului de foc."a proiectare se a ţine seama de recomandările din figura .+ şi tabelele .*5.-.

t D grosimea radială a segmentului4d 1s D diametrul interior al segmentului4d 1c D diametrul canalului de segment4

Dcil D aleza!ul cilindrului4b D grosimea axială a segmentului4hc D înălţimea canalului de segment4

t c D dimensiunea radială a canalului4

R D raza fundului canalului4 J a D !ocul pe flancurile segmentului ( J a = hc-b)4

J P D !ocul pistonDcilindru4 J r D !ocul radial al segmentului4 J r =*C(d is-d ic )

Tabelul 9.1.;nălţimea canalului de segment (hc)

$arianta #&S 8r.canal * - /


7/16

Tabelul 9.Focul pe flancurile segmentului ja şi !ocul radial jr [mm6

Focul pe flancuri ja [mm6

#&SFocul radial jr [mm6

>ip canal răcit cu licid răcit cu aer

segment * 1,1-151,113 (1,1@) 1,13151,1@1 (1,1) 1,A11segment 1,1151,1/1 (1,1+) 1,1-151,131 (1,1@) 1,A11segment -

de ungere fontă1,1*151,1-1 (1,13) *,111

segment -de ungere oţel

1,1-151,131 (1,1A)

Focul pe

#&<Focul radial jr [mm6

>ip canal răcit cu apă răcit cu aer segment * dreptungiular 1,1+51,1A 1,*151,* *,-

G sau *,/

GG

segment dreptungiular 1,1/51,1+ 1,1+51,1A *,-G sau *,/GGsegment - dreptungiular 1,1/51,1+ 1,1/51,1+ *,-

G sau *,/GG

ungi +H trapezoidal 1,1/1 1,1/1 *,-G sau *,/

GG

ungi *3H trapezoidal 1,1-1 1,1-1 *,-G sau *,/

GG

Tabelul 9.!.;nălţimea capului de piston p'nă la primul segment

#&S aspiraţie naturală cu ε ≤ ,3 * 2 /,3: D

#&S cu ε ,3 sau supraalimentate * 2 3,1: D

#&< pentru autoturism sau autocamion cu aspiraţie naturală * 2 +,1: D#&< cu supraalimentare şi răcire intermediară a aerului * 2 A5: D

#&< supraalimentat * 2 @5A: D#&S şi #&< 2 -,3: D

#&< pentru autocamion 2 /,3: D

Calculul "e#$en%ilor


8/16

*+


9/16

0entru stabilirea formei segmentului în stare liberă se pleacă de la acceptarea unei epure de presiune ariabilă (fig..@). ermenul iniţial ( po) reprezintă presiunea medie pe care o dezoltă segmentul

ig. .@.


10/16

0 e p

1 p ( )d = ⋅

∫

π ψ ψ

π

1

şi este partea constantă a presiunii, restul expresiei fiind corecţia ei.

;n aceste condiţii expresia generală a curbei deine7

e ei

ei

n

p ( ) p p

piψ ψ = ⋅ + ⋅

=∑*

cos - (.)

%acă numărul armonicilor pentru care se dezoltă calculul relaţiei conergente (.) esten2, distribuţia de presiune reprezintă o ariaţie lină (fig..A)


11/16

presiunii7( )e p ( ) 2 3ψ ψ ψ = + ⋅ − ⋅* 1 / 1 *A, cos , cos + (.-)

Calculul pro'ilului "e#$entului (n "tare liber)

"a calculul formei libere a segmentului se urmăreşte deplasarea relatiă din poziţia demonta! în cea destinsă, a unui punct de fibra medie.

%eplasarea relatiă a unui punct N(R,y), (fig.(.) faţă de poziţia N o(Ro ,yo ) se compune dindeplasarea radială şi deplasarea ungiulară ε definită prin relaţiile7

µ

ε ψ ψ

= −

= −

R R

0

1 @ (./)

Ecuaţia diferenţială a deplasării radiale este următoarea7

d

d

R !

" # 2

+ = ⋅

⋅

µ

ψ

ψ A (.3)

0entru calculul deplasării se calculează momentul încooietor întrDo secţiune ! ψ .

#omentul elementar produs întrDo secţiune ψ de o forţă elementară d$ ϕ

este7ψ ϕ d! N % d$ 0 0= ⋅ (.+)

unde7 0 0 N % *1D distanţa de la braţul forţei la punctul N o din secţiunea considerată(fig..*1.a)

%eoarece7 ( )0 0 N % R= ⋅ −1 sin ϕ ψ **rezultă7

( )ψ ϕ ϕ ψ d! R d$ = ⋅ − ⋅1 sin * (.@)

orţa elementară întrDo secţiune ψ (fig..*1.a) în fibra medie a segmentului poate fiexprimată prin relaţia7

( )ϕ ϕ

ϕ d$ p b R d 0

e= ⋅ ⋅ ⋅1 *- (.A)

unde7 b D grosimea axială a segmentului.%eoarece forţa în fibra exterioară

ϕ ϕ

ϕ d$ p b R d e= ⋅ ⋅ ⋅* */ (.)trebuie să fie egală cu cea din fibra medie, rezultă7

( )0

e e p p

R

Rϕ ϕ

= ⋅ *1

*3 (.*1)

%eci7

( )ψ ϕ

ϕ ψ ϕ d! R

Rb p R d

e= ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅*

1

1

sin *+ (.**)

0entru calcule se defineşte un parametru constructi7c b

R

Rb

D

t

D

t = ⋅ = ⋅ ⋅ −

*

1

* ** *@ (.*)

unde7 t D grosimea radială a segmentului.&stfel, se poate scrie expresia momentului produs în secţiunea ψ de suma tuturor forţelor

din dreapta secţiunii7

( )ψ ϕ ψ

ϕ π

ϕ

ϕ ψ ϕ ! c R p d e=

= ⋅ ⋅ ⋅ − ⋅=∫ 1

sin *A* (.*-)

0entru curba de presiune descrisă de ecuaţia (.-) se obţine următoarea expresie pentrumomentul ! ψ .

( )ψ

ϕ ψ

ϕ π

ϕ ϕ ϕ ϕ

! c R p d

e=

=

= ⋅ ⋅ ⋅ + ⋅ − ⋅ + ⋅ ⋅

∫ 1

* 1 A-@3 1 */ 1 1 -, cos , cos , cos

1 (.*/)iar pentru cazul general7

*@


12/16

( )

( ) ( )ψ ψ ψ ψ ! c R p

- p

i p

p

i pi

e

i

i

ei

n

i

ei

n

= ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅

− ⋅ − ⋅

− ⋅

+

= =

⋅∑ ⋅∑1*

* *

*

*

*cos cos cos * (.*3)

%acă se substituie relaţia (.*3) în ecuaţia diferenţială a deplasării date de relaţia (.3), seobţine7

( )

( ) ( ) d

d

R

" # c R p

- p

i p

p

i p ie

i

i

ei

n

i

ei

n

+ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ + + ⋅

− ⋅ − ⋅

− ⋅

+

= =⋅∑ ⋅∑

1

1

*

*

*

*

*

*ψ ψ ψ ψ cos cos cos (.*+)

;nlocuind7

1-

R

" # c p &

e⋅ ⋅ ⋅ = - (.*@)

Se obţine ecuaţia7

( )

( ) ( )

d

d & R

- p

i p

p

i pi

i

i

ei

n

i

ei

n

+ = ⋅ ⋅ + + ⋅

− ⋅ −

⋅− ⋅

+

= =

⋅∑ ⋅∑

1

*

* *

*

*

*ψ ψ ψ ψ cos cos cos / (.*A)

Ecuaţia (.*A) este neomogenă şi se rezolă cu următoarele condiţii limită pentrusegmentul montat7 D secţiunea &D& (fig..*1.b) fiind pe axa de simetrie nu poate efectuadeplasări ungiulare, ψ 21 şi d'd ψ 214

D deplasarea radială a segmentului după axa IDI (fig..*1.a) este aceeaşi la celedouă extremităţi, adică ψ ψ π =0 = = 3

;n aceste condiţii se obţine următoarea expresie generală a deplasării radiale7

( )

( )

( ) ( )

R &

- p

i p

p

i pi

p

i p i=

i=2

ni

i

e

i=2

ni

e i=3

ni

e

= ⋅ ⋅

+ ⋅

− ⋅ ⋅ ⋅ +

+− ⋅

−− ⋅

+

⋅ ⋅

1

- 3 @ ) **

*

* *

*

* *, , , ,

sin

cos cos

Σ

Σ Σ

ψ ψ

ψ ψ

+ (.*)

%eplasarea radială pentru segmentul cu distribuţia presiunii după o curbă simplă este7

R & = ⋅ ⋅ + ⋅ ⋅ + ⋅ −− ⋅ + ⋅

1

* 1 /*A@3 1 11A*3

1 1/+ 1 11A*3 -

, sin , cos

, cos , cos

ψ ψ ψ

ψ ψ @ (.1)

"ungimea fibrei medii a segmentului este aceiaşi în stare liberă şi în stare montată7

Rd R d ψ ψ = ⋅1 1 A (.*)sau

( ) ( )0 0 0 R d R d + ⋅ − = ⋅ψ ε ψ 1 (.)

*@-


13/16

8egli!'nd termenii mici de ordinul doi, rezultă

d

Rd

00

ε ψ = ⋅ -1 (.-)

%eplasarea ungiulară a segmentului de presiune ariabilă se obţine rezol'nd ecuaţia(.-).

( )( )

( )( )

( ) ( )

ε ψ ψ ψ ψ

ψ ψ

= ⋅ −

⋅− ⋅

⋅ ⋅ +

+ ⋅− ⋅

⋅ +

+

− ⋅

−

− ⋅

+

=

+

=

= =

∑ ∑

⋅∑ ⋅∑

&

- pi p

- pi p

p

i p

i p

i p i=

i

i

ei

n

i

i

ei

n

i

ei

n

i

ei

n

- 3 @ ) **

*

*

-

**

* **

* * , , , ,

cos sin

sinsin

-* (./)

%eplasarea ungiulară pentru segmentul cu distribuţia presiunii după o curbă lină este7( )ε ψ ψ ψ ψ ψ = ⋅ − ⋅ ⋅ + ⋅ + ⋅ & 1 /*A3 1 /*1+ 1 -) , cos , sin , sin - (.3)

%eplasarea ungiulară a capetelor ε π în stare liberă se obţine pentru ψ 2 π

( )( )

π ε π = ⋅ − − ⋅

− ⋅

⋅

+

- *

* ,

*

,

i=2

n i

i

e

p

i p

& Σ -- (.+)

%istanţa dintre capete, măsurată pe fibra medie în stare liberă este7

s R= ⋅ ⋅ ε π

-/ (.@)Substituind pe ε π din relaţia (.+) în (.@) şi negli!'nd π rezultă7

ig..**. Sceme de repartiţie a presiuniisegmentului

*@/


14/16

( )( )

) R & p

i pi=2

n i

i

e

= ⋅ ⋅ ⋅ − − ⋅

− ⋅

+

π 1

*

,-

*

*Σ -3 (.A)

Jntroduc'nd în expresia lui S (.A) aloarea explicită a termenului K, se obţine7

( )( )

c R p

" #

)

p

i p

e

i=2

n i

i

e

⋅ ⋅

⋅ =⋅ −

− ⋅− ⋅

+

1

/

*

,-

*

*π Σ

-+ (.)

;n tabelul ./. se dau alorile rapoartelor pentru segmenţii cu distribuţie ariabilă(fig..**.a.b.c.) pentru calculul deplasărilor ungiulare şi radiale.

Tabelul 9.*.$aloarea rapoartelor pi 'pe pentru dierse epure ale presiunii elastice


15/16

;nlocuind în relaţia lui 8aier, şi a'nd în edere că #=4 t C iar

0 R D t t D

t = − = ⋅ −

* *

* 3-

se obţine7

( )

( )( )( )

maxi

i

i

ei

n

i

i

ei

n

"

t D

t

p

i p p

i p

σ π

= ⋅ ⋅⋅ −

⋅

+ − ⋅

− ⋅−

− ⋅− ⋅

+

=+

=

∑

∑

*

*

*

- *

*

*

*

*

3/ (.-3)

"a proiectarea unui segment se impune aloarea presiunii medii elastice ( pe) în raport cucondiţiile lui de funcţionare, aceasta se calculează din relaţia (.)

( )

( )e i

i

ei

n p

" #

c R p

i p

= ⋅ ⋅

⋅ ⋅

− − ⋅

− ⋅

+

=∑

π 1 *

*

- *

*

33 (.-+)


16/16

>ensiunea maximă se determină cu următoarea relaţie de calcul7

( )

( )

σ π

i i

i

ei

n

"

s

t

D

t

p

i p

max= ⋅

⋅⋅

−

−

⋅

− − ⋅

− ⋅

+

=∑

* *

*

*

- *

*

*

3A (.-)

unde7 2 D constantă care depinde de arianta dispozitiului care desface segmentul722*,11 pentru fig..*.a422*,3@ pentru fig..*.b şi

22,11 pentru fig..*.c.σ a2-1 [8Cmm6 3

Calculul 'antei "e#$entului

anta la rece dintre capetele segmentului se determină din condiţia ca fanta la cald să aibăaloarea optimă.

"ungimea segmentului la rece este7 sl D s= ⋅ −π 1 +1 (./1)

la cald lungimea a fi7

( ) ( )[ ] s

6

s sl D s t t = ⋅ − ⋅ + ⋅ −π α 1 1* +* (./*)

Documents

Cap 09 Proiectarea Segmenýilor