Đề tài nghiên cứu kết cấu nhóm piston

c quán tính đặc biệt chịu tải trọng cơ học , tải trọng nhiệt và ma sát ăn mòn hoá học . 2.1.2.1 Tải trọng cơ học: Trong quá trình cháy, khí hỗn hợp cháy sinh ra áp suất lớn trong buồng cháy. Trong chu trình công tác của động cơ áp suất khí thể tác dụng lên đỉnh piston thay đổi rất nhiều vì vậy lực khí thể có tính va đập lớn trong động cơ cao tốc do số vòng quay rất cao lên lực quán tính tác dụng lên đỉnh piston cũng rất lớn. Lực tác dụng trên đỉnh piston lớn gây lên ứng suất lớn làm biến dạng piston và đôi khi làm hư hỏng piston. 2.1.2.2 Tải trọng nhiệt: Trong quá trình cháy piston trực tiếp tiếp xúc với vật cháy, có nhiệt độ cao 23002800K. Nên nhiệt độ của piston nhất là đỉnh piston cũng rất cao ( khoảng 500800K ), nhiệt độ của piston cao thường gây các tác hại : - Gây ứng suất nhiệt lớn, có thể làm rạn nứt piston. - Gây biến dạng lớn, có thể làm cho piston bị bó hẹp trong xylanh và tăng masát giữa piston và xylanh. - Làm giảm sức bền của piston. - Làm giảm hệ số nạp, ảnh hưởng đến công suất động cơ. - Làm dầu nhờn chóng bị phân huỷ. - Đối với động cơ xăng nhiệt độ piston cao quá dễ gây hiện tượng kích nổ. 2.1.2.3 Ma sát và ăn mòn hoá học: Trong quá trình làm việc của piston chịu masát khá lớn do thiếu dầu bôi trơn và do lực ngang ép piston vào xylanh. Hơn nữa do lực khí thể, lực quán tính và nhiệt độ cao làm piston biến dạng nên ma sát càng tăng, do piston luôn luôn tiếp xúc với sản phẩm cháy nên còn bị sản phẩm cháy ăn mòn. Do điều kiện làm việc của piston như vậy nên khi thiết kế piston cần đảm bảo: - Dạng đỉnh piston tạo thành buồng cháy tốt nhất . - Tản nhiệt tốt để tránh kích nổ và giảm ứng suất nhiệt . - Trọng lượng nhỏ để giảm quán tính. - Đủ bền và đủ độ cứng vững để tránh biến dạng quá lớn - Đảm bảo bao kín buồng cháy để công suất động cơ khong giảm sút .không cháy piston và ít hao dầu 2.1.3 Vật liệu chế tạo: Do điều kiện làm việc của piston hết sức phức tạp nên vật liệu dùng để chế tạo piston phải đảm bảo các yêu cầu: Có sức bền lớn ở nhiệt độ cao và khi tải trọng thay đổi. Hệ số dãn nở nhỏ, hệ số tản nhiệt lớn. Chịu mài mòn tốt trong điều kiện bôi trơn kém và nhiệt độ cao. Chống được sự ăn mòn hoá học của khí cháy. Vật liệu chế tạo piston thường dùng hiện nay là: gang và hợp kim nhẹ, thép ít được dùng để chế tạo piston. 1/ Gang: Gang là loại vật liệu dùng khá phổ biến để chế tạo piston của các loại động cơ tốc độ thấp. Gang thường được dùng mấy loại: Gang hợp kim Gang dẻo Gang grafít a) Gang hợp kim ( gang xám ): thường dùng gang xám có mã hiệu: C4 24- 44; C4 24-48; C4 32-52, có tổ chức péclít, gang xám là loại vật liệu khá tốt có nhiều ưu điểm thoả mãn hầu hết các yêu cầu trên: - Gang có sức bền cơ học khá cao, giới hạn bền chống kéo của gang xám có thể đạt tới 320, giới hạn bền chống uốn có thể đạt tới 520. - Gang xám có ưu điểm ở nhiệt độ cao và sức bền không giảm nhiều lắm, theo thí nghiệm thì tăng nhiệt độ tới 288K 623K, sức bền của gang chỉ giảm khoảng 18% - Hệ số dãn nở chiều dài bé = 11 K - Tính công nghệ đúc và gia công tương đối tốt - Giá thành rẻ. Nhược điểm: - Trọng lượng riêng của gang lớn = 7080 - Hệ số dãn nhiệt bé = 37,754,4 - ở nhiệt độ cao quá 996K tổ chức péclít của gang phân giải thành fenít và ôstennit thể tích lớn nên dễ bị rạn nứt. ở động cơ cao tốc và cường hoá không dùng piston ngang: Gang xám thường dùng có thành phần hoá học sau: 3,23,65% C ; 2,1 2,4% Si ; 0,460,6%Mn ; 0,070,1% Cr ; 0,150,55% Ni ; 0,130,3% P ; không vượt quá 0,15%S ; Độ cứng bề mặt HB = 15g22g Để đúc dễ dàng nhiệt độ rót khuôn phải đảm bảo cao hơn 1573K b) Gang dẻo (gang rèn ): Loại gang này có sức bền cao hơn gang xám. Dùng để chế tạo piston của các động cơ 2 kỳ. Gang dẻo thường dùng có thành phần hoá học: 2,32,6% C ; 1,151,45% Si ; 0,5% Mn ; 0,07% Cr ; S ít hơn 0,12% S ; ít hơn 0,18% P . Độ cứng bề mặt 197241 c) Gang grafit cầu: Loại gang có sức bền cao. Chịu nhiệt độ cao và chịu mòn tốt. Tính công nghệ gia công và công nghệ đúc kém. Chỉ được dùng để đúc phần đỉnh của piston dùng trong động cơ tốc độ thấp. 2/ Thép: Trong đại chiến thế giới lần thứ hai, một số nước như Mỹ (hãng Ford) và Đức (hãng Junkep) đã dùng thép để chế tạo piston. Thép có độ bền cao nên có thể làm khá mỏng .Chiều dày đỉnh piston thép có loại 23mm .Chiều dày của thân có loại chỉ dày 0,9 1mm .Vì vậy piston bằng thép không nặng lắm . Đôi khi còn nhẹ hơn piston nhôm .Thép chịu mòn tốt .Thép dẫn nhiệt kém dẫn đến nhiệt độ đỉnh piston cao dễ gây kích nổ ở động cơ xăng Khó đúc dẫn đến giá thành chế tạo đắt Thành phần hoá học các loại thép dùng để chế tạo piston : 1,35 1,7C ; 0,6 1Mn; 2,5 3,0 Cu; 0,91,3Si ; 0,15 0,2Cr ; S < 0,08 ; P < 0,1 3/ Hợp kim nhẹ : Trong động cơ cao tốc để giảm bớt lực quán tính chuyển động tịnh tiến, piston thường chế tạo bằng hợp kim nhẹ, hợp kim nhẹ thường được dùng là hợp kim nhôm và hợp kim manhêzi a) Hợp kim manhêzi: Trọng lượng riêng nhỏ =1718,5thành phàn chủ yếu là 95%Mg ; 3%Zn còn lại là các kim loại khác và tạp chất Nhược điểm : - Mô đun đàn hồi nhiệt độ thấp E = 45000rất nhạy cảm với ứng suất tập trung . Khi thiết kế piston phải có góc lượn lớn - Sức bền kém = 260do đó phải làm piston khá dày - Hợp kim Manhêzi đắt mà khi đúc bị ôxi hoá rất dữ dội dẫn đến vật liệu đúc có tổ chức không đồng đều . - Tính chống ăn mòn hoá học của hợp kim manhêzi kém b) Hợp kim nhôm : Hợp kim nhôm nhẹ, trọng lượng riêng bé hơn gang rất nhiều, nhôm =18,229,7 gang =7080, vì trọng lượng riêng nhỏ lên lực quán tính sinh ra bé , do đó động cơ cao tốc dùng piston nhôm . Dùng hợp kim nhôm để đúc piston trọng lượng có thể giảm 50% so với piston gang có cùng độ bền . Hợp kim nhôm có tính dẫn nhiệt tốt hơn gang : - Hệ số dẫn nhiệt =126175.độ (0,30,42). - Ưu điểm :nhiệt độ dẫn nhiệt đỉnh piston thấp nên khó xảy hiện tượng kích nổ (động cơ xăng ) - Nhiệt độ piston thấp còn có lợi là khó kết muội trong buồng cháy - Hệ số truyền nhiệt từ khí cháy đến piston của hợp kim nhôm cũng nhỏ hơn của gang khoảng 30% nên cũng làm cho nhiệt độ piston nhôm thấp hơn piston gang . - Trạng thái nhiệt độ của hai loại piston gang và nhôm của động cơ xăng Hình 2.1 : Trạng thái nhiệt độ của piston ; 1- Piston gang ; 2- Piston nhôm - Nhiệt độ cao nhất đỉnh piston nhôm thay đổi trong khoảng 483523k, gang 673703k - Khi thay piston bằng piston nhôm và giữ nguyên các thông số thì công suất của động cơ có thể tăng lên khoảng 56% và suất tiêu hao nhiên liệu có thể giảm 810% Tổn thất ma sát giữa xylanh và piston nhôm ít vì hệ số ma sát của nhôm với gang nhỏ . Tính công nghệ hợp kim nhôm tốt :dễ đúc , dễ gia công . Nhược điểm : - Hệ số dãn dài lớn : anhân =1725.10 Vì vậy khi thiết kế khe hở giữa piston và xilanh lớn khi khởi động dễ lọt khí và máy có tiếng gõ . - ở nhiệt độ cao sức bèn giảm sút quá nhiều . - Hợp kim nhôm chịu mòn kém hơn gang và thép - Hợp kim nhôm đắt tiền. Để nâng cao tính chịu mòn của piston chế tạo bằng hợp kim nhôm . Cần nhiệt luyện piston để đạt độ cứng HB = 120140 Piston nhôm được chế tạo theo phương pháp rèn, dập bằng loại nhôm rèn. Xử lí oxi hoá bằng cực dương dòng điện, ngâm piston trong dung dịch 3% ôxit crôm, cực âm dùng bản grafít Có thể tăng thành phần S : trong hợp kim nhôm để giảm hệ số giãn dài Người ta phân hợp kim nhôm thành 3 loại: Hợp kim nhôm - đồng Hợp kim nhôm – Silíc cùng tính Hợp kim nhôm – Silíc sau cùng tinh Sau khi đúc xong cần ủ lại nhiệt độ 438á448K, thời gian 14á18; HB = 90 á120 2.1.4 Kết cấu của piston : Piston là một hình trụ rỗng , một đầu kín bên trong có các gân tăng cường độ cứng , piston gồm 3phần chính Hình 2.2 : Piston ; 1- Đỉnh ; 2- Đầu ; 3- Thân ; 4- Rãnh lắp xecmăng khí ; 5- Rãnh lắp xecmăng dầu ; 6- Bệ chốt piston ; 7- Chân piston ; 8- Vùng đai xecmăng Đỉnh piston : là phần trên cùng của piston trong có các gân chịu lực và tản nhiệt cùng với xilanh và lắp máy tạo thành buồng đốt . Đầu piston : tính từ rãnh xecmăng ở trên lỗ chốt đến đỉnh piston, đầu piston có các rãnh lắp xecmăng hơi và xecmăng dầu. Thân piston: Tính từ xecmăng cuối cùng bên trên lỗ chốt phần thân dùng dẫn hướng chuyển động của piston . 2.1.4.1 Đỉnh piston : Đỉnh piston có rất nhiều dạng Hình 2.3 : Các dạng đỉnh piston của động cơ xăng và động cơ điêzen Đỉnh bằng (a) là loại phổ biến nhất có diện tích chịu nhiệt bé nhất , kết cấu đơn giản , dễ chế tạo , thường được dùng ở động cơ xăng và điezen có buồng cháy dự bị và xoáy lốc Đỉnh lồi (b,e) có độ cứng vững cao loại này có thể không cần bố trí các đường gân chịu lưc ở dưới đỉnh piston do đó trọng lượng của piston có thể giảm, loại này ít kết muội than nhưng bề mặt chịu nhiệt lớn dấn đến ảnh hưởng xấu quá trình làm việc của piston, dùng động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu dùng xúppáp treo. Đỉnh lõm(c): thường dùng động cơ xăng có buồng cháy chỏm cầu và động cơ điezen có buồng cháy dự bị và xoáy lốc, phần lõm có thể toàn bộ đỉnh piston hoặc chỉ lõm xuốngở một vùng của đỉnh. Chỏm cầu lõm có thể đồng tâm hoặc lệch tâm.loại đỉnh lõm này có tiết diện chịu nhiệt lớn hơn đỉnh bằng nhưng có ưu điểm tạo ra xoáy lốc trong quá trìng nén và quá trình cháy. Đỉnh lồi (d): chỉ dùng cho động cơ xăng hai kỳ cỡ nhỏ, phối khí bằng lỗ quét và lỗ thải. Phần lồi lên lắp sát về bên phía lỗ quét để dẫn hướng dòng khí quét đi vào xilanh. Đỉnh lõm (g,h,i,k,l): thường dùng trong động cơ điezen bốn kỳ và hai kỳ có buồng cháy thống nhất, các loại buồng cháy này tạo ra xoáy lốc mạnh trong quá trình nén để hình thành khí hỗn hợp được tốt. Vòi phun của các loại động cơ này đặt trên nắp máy hướng vào phía giữa đỉnh piston để có thể phun trực tiếp nhiên liệu vào buồng cháy trên đỉnh piston, nhược điểm: diện tích chịu nhiệt lớn, trọng lượng phần đầu piston nặng, khó giải quuyết vần đề ứng suất nhiệt của xéc măng. Khi thiết kế đỉnh piston cần chú ý, đảm bảo các nguyên tắc: - Đỉnh phái có hình dạng thích hợp để tạo thành hỗn hợp tốt, gây xoáy lốc mạnh, phù hợp với chùm tia phun, phù hợp yêu cầu quá trình cháy để đưa lại chỉ tiêu kinh tế cao. - Đỉnh cần có tỉ số F/V nhỏ để giảm ứng suất nhiệt cho piston đồng thời tăng hệ số nạp, tránh kích nổ. - Có góc lượn tương đối lớn để dẫn nhiệt tốt. - Chú ý đến cách đạt xuppap , còi phun , buji , để đỉnh không va cham vào các chi tiết .Vì vậy phải khoét đỉnh piston thành hình dạng đặc biệt để tránh va chạm với xuppáp (m). 2.1.4.2 Đầu piston : Trong quá trình làm việc của động cơ , đầu piston truyền phần lớn nhiệt lượng do khí cháy truyền cho nó . Qua phần đai xecmăng-xecmăng-xilanh rồi đến nước làm mát hoặc không khí làm mát động cơ . Sơ đồ dòng nhiệt truyền trong piston Khi thiết kế piston cần đảm bảo tốt 3 vấn đề : - Tản nhiệt - Bao kín - Sức bền Hình 2.4 : Dòng nhiệt truyền trong piston a) Vấn đề tản nhiệt : Vấn đề tản nhiệt của piston rất quan trọng , nếu đảm bảo truyền ra ngoài số nhiệt lượng mà piston nhận được do tiếp xúc với khí cháy và do masát sinh ra , sức bền của piston giảm sút nghiêm trọng . Như thế động cơ sẽ không làm việc được . Ngoài các phương pháp làm mát : phun dầu phái dưới piston , dẫn nước làm mát vào đỉnh piston thì phần lớn nhiệt lượng piston nhận được truyền qua xec măng ra xilanh rồi đến nước làm mát động cơ , một phần nhiệt truyền cho khí nạp mới . Do vậy để tản nhiệt tốt ,có thể dùng các phương án sau : - Thiết kế đỉnh piston tương đối dày, gọc lượn giữa phần đỉnh và đai xecmăng tương đối lớn , đai xecmăng lượn tương đối dày để dẫn nhiệt xuống thân tương đối thuận lợi. Kết cấu đỉnh piston có góc lượn lớn, đảm bảo tản nhiệt tốt vì vậy nhiệt độ phần đỉnh piston hợp kim nhẹ giảm xuống khá thấp (473K ). - Thiết kế đỉnh mỏng nhưng có gân tản nhiệt ở phía dưới đỉnh để tăng diện tích tiếp xúc với không khí làm cho nhiệt lượng truyền cho không khí phía dưới piston được nhiều hơn. Gân tản nhiệt đồng thời là gân chịu lực làm tăng độ cứng vững ở phần đỉnh và đầu piston. Hình 2.5 : Các kiểu bố trí gân tản nhiệt - Dùng hợp kim nhôm có hệ số dẫn nhiệt cao để giảm nhiệt độ của piston, gia công đỉnh piston bóng láng cũng giảm được sự truyền nhiệt. - Dùng rãnh chắn nhiệt : Hình 2.6 : Vị trí xecmăng khí thứ nhất - Để cho nhệt lượng phần đỉnh piston tản đều xuống phía các xecmăng phía dưới , bảo vệ xecmăng khí đầu tiên khỏi bị nóng quá . Vị trí xecmăng khí thứ nhất bố trí càng gần khu vực nước làm mát bao nhiêu càng tốt bấy nhiêu . - Trong động cơ tĩnh tại cỡ lớn thường dùng cách đưa dầu nhờn vào phái dưới đỉnh piston để làm mát đỉnh , hiệu quả tốt nhưng kết cấu phức tạp . Để giảm nhiệt lượng truyền xuống phần đầu piston người ta giảm các bán kính góc lượn và chiều dày phần nối tiếp đỉnh với đầu piston Hình 2.7 : Đỉnh piston làm mát bằng cách phun dầu nhờn Tránh đỉnh khỏi bị nóng quá người ta tổ chức phun dầu nhờn từ đầu nhỏ lên các gân tản nhiệt b) Vấn đề bao kín : Số rãnh xecmăng trên đầu piston có các rãnh để lắp xecmăng khí và xecmăng dầu. Đối với động cơ đốt trong việc bao kín buồng cháy rất quan trọng , nếu không sẽ xảy ra hiện tượng xấu như . . . dẫn đến cháy sớm hoặc kích nổ . Biện pháp bao kín hiện nay dùng xecmăng như vậy xecmăng càng nhiều thì độ kín khít càng tốt nhưng số xecmăng nhiều thì phần đầu piston càng dài và càng nặng dẫn đến công suất masát lớn lên . Rãnh lắp xecmăng dầu phải có khoan đường dẫn dầu về catte . Khe hở giữa phần đầu piston và xilanh . Khe hở này cũng có ảnh hưởng đến vấn đề bao kín . Khe hở giữa rãnh xecmăng và rãnh xecmăng . Khe hở này không được để quá lớn nhất là đối với động cơ 4 kỳ , nếu khe hở lớn dẫn đến va đập giữa xecmăng và rãnh khe hở nhỏ thì dễ bị bó xecmăng . Rãnh xecmăng thường khoét sâu hơn chiều dày xecmăng (0,5á 1,5 ) c) Vấn đề sức bền Đối với piston làm bằng hợp kim nhẹ , để đảm bảo độ cứng vững và sức bền của đỉnh và đầu piston , ngoài việc làm các gân ở đỉnh người ta còn làm các gân dọc nối với bệ chốt piston Hình 2.8 : Các loại gân dọc thường dùng 2.1.4.3 Thân piston : Có tác dụng dẫn hướng cho piston chuyển động trong xilanh và chịu lực ngang W , để dẫn hướng 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 nhưng khi piston chuyển động , do lực ma sát tác động làm piston có xu hướng quay quanh chốt nên áp suất của piston nén trên xilanh sẽ phân bố không đều nữa Dạng của piston : Hình 2.10 : Trạng thái biến dạng của piston khi chịu lực khí thể và lực ngang Dạng của piston thường không phải là hình trụ mà tiết diện ngang của nó thường có dạng ovan hoặc vát ở phía hai đầu bệ thiết kế như 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 tượng bó piston người 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 ế 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 : 30á38%Ni , 0á8%Cr , còn lại là Fe . Hệ số giãn nở của piston này nhỏ a=2.10 - 6/ 0K. Dùng hợp kim này là các bản nối tiếp phần đầu với thân piston Hình 2.11: Đường kính các phần của piston Các dạng của thân và kích thước khác nhau của các phần trên piston : - Đường I là dạng của loại piston hình trụ và đầu piston có độ côn . Loại này thường dùng khi nhiệt độ chênh lệch giữa phần đầu và phần cuối của thân piston nhỏ - Đường II : cả đầu và thân piston đều có độ cân để thích hợp với trạng thái nhiệt trên chiều cao của thân - Đường III : Đầu và thân piston làm thành dạng hình trụ nhiều bậc . Kết cấu này thường dùng vì công nghệ gia công đơn giản mà hiệu quả tốt - Đường IV : Dạng đường cong phức tạp công nghệ gia công khó - Đường 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 thường có dạng vành đai để tăng độ cứng, vững . Mặt tụ ở vành đai này thường là mặt chuẩn công nghệ dùng để gia công piston Hình 2.12 : Chân piston Ngoài ra khi điều chỉnh trọng lượng piston thường dùng cách cắt bỏ một phần kim loại ở chân piston . 2.1.4.4 Kích thước kinh nghiệm của piston : Hình 2.13 : Kích thước các phần của piston 2.2/ XECMăNG: 2.2.1 Nhiệm vụ : Xecmăng được lắp trong các rãnh xecmăng trên đầu piston , làm giảm lực tác dụng của piston vào thành xilanh , truyền nhiệt từ piston => xecmăng => xilanh => nước 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 : 632á673 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 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 50á60 % toàn bộ công tổn thất cơ giới của động cơ đốt trong Sở dĩ ma sát lớn và mài mòn nhiều là do áp suất tiếp xúc của xecmăng tác dụng lên vách xilanh lớn , do tốc độ trượt lớn mà bôi trơn kém. Bị ăn mòn hoá học và mài mòn do tạp chất sinh ra trong khí cháy hoặc lẫn trong khí nạp và dầu bôi trơn 2.2.3 Vật liệu chế tạo : Do điều kiện làm việc của xecmăng hết sức phức tạp , điều kiện bôi trơn khó khăn nên vật liệu chế tạo xecmăng cần có các tính chất cơ lý sau : - Có tính chịu mòn tốt - Có hệ số ma sát nhỏ đối với mặt xilanh - 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 nước 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 lượng không nhiều lắm . Trong gang thường pha thêm các nguyên tố khác như : Ni, Mn, Cr , P ,Ti , Cu ... với số lượng ít để cải thiện tính năng của gang . Gang hợp kim được dùng phổ biến vì nó có nhiều ưu điểm cơ bản mà các loại vật liệu khác không có được: - Nếu mặt ma sát bị cào xước , trong quá trình làm việc vết xước sẽ mất dần , ma sát được khôi phục như 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 xước Các loại vật liệu gang thường dùng : C4 18-36 thành phần : 2,7á3%Si ; 0,5á0,7%Mn ; 0,5á0,6%P ; 0,09%S ; 0,3%Cr ; 0,3%N ; 0,2%T ; HB = 95á105 C4 24-44 thành phần : 1,6á2%Si ; 0,8á1%Mn ; 0,3á0,5%P ; 0,1%S ; 0,6%Cr ; 0,4 %N ; 0,2%T ; HB = 93á97 C4 28-44 thành phần : 1,5á1,9%Si ; 0,5á0,8%Mn ; 0,3á0,5%P ; 0,1%S ; 0,6%Cr ; 0,5á1%N ; 0,2á0,6%Mo ; HB = 93á97 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 nhưng : - 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 người ta dùng thép để chế tạo xecmăng khí , đa số các xecmăng dầu chế tạo lại đều được chế tạo bằng thép Quá trình chế tạo xecmăng hết sức phức tạp , thường xecmăng được chế tạo ở các phân xưởng riêng , các phương 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 thường chế tạo xecmăng theo 3 phương pháp : - Đúc đơn chiếc : xecmăng được đúc từng chiếc một , phôi đúc đã được định hình giống như xecmăng ở trạng thái tự do , phương pháp này đảm bảo thành phần , tổ chức của gang rất đồng đều. - Chế tạo theo phương 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 = 600á6500C ; 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 người 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, đường kính của xecmăng là đường kính ngoài của xecmăng ở trạng thái lắp ghép trong xilanh Mặt đáy Mặt lưng Mặt bụng Phần miệng Khe hở miệng Hình 2.14 : Xecmăng - mặt 1: mặt đáy - mặt 2: mặt lưng - mặt 3 : mặt bụng Chiều dày của xecmăng là khoảng cách giữa mặt lưng và mặt bụng , chiều cao h của xecmăng là khoảng cách giưưã hai mặt đáy Phân theo nhiệm vụ xecmăng chia làm 2 loại : - xecmăng khí - xecmăng dầu 2.2.4.1 Xecmăng khí : Xecmăng khí có nhiệm vụ bao kín buồng cháy , ngăn không cho khí cháy lọt vào buồng cacte . Trong động cơ khí cháy có thể lọt xuống theo 3 đường : - Qua khe hở giữa mặt xilanh và mặt công tác - Qua khe hở giữa xecmăng và rãnh xecmăng - Qua khe hở phần miệng xecmăng Để tránh lọt khí phải dùng nhiều xecmăng , theo thí nghiệm nếu dùng 3 xecmăng 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 lượng tăng lên - Để tăng áp suất , nâng cao khả năng bao kín mặt lưng xecmăng có khi làm thành mặt côn có góc b = 15’á30’ hoặc độ côn góc b=20 , đoạn mặt trụ có chiều cao e ằ h/3 (b,c) - Do gia công thành mặt côn tương đối khó nên người ta dùng loại xecmăng không đối xứng , mặt lưng vẫn là mặt trụ (d,e,g) loại này khi lắp vào xilanh lưng bị vênh lên thành mặt côn (x 37). Do vậy xecmăng chỉ tiếp xúc với xilanh ở một phần mặt lưng 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 người ta dùng xecmăng có tiết diện (i) nếu như các rãnh ở mặt lưng sâu dễ gây kết tụ muội than . Để cải thiện quá trình chạy rà , người 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 ưu điểm của xecmăng có tiết diện đơn giản . Do loại xecmăng này gia công phức tạp nên ít sử dụng Để xecmăng khí được 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 được mà phải cố địng xecmăng bằng cách đóng chốt trong rãnh xecmăng để miệng xecmăng không quay được Hình 2.19 : Cố định xecmăng của động cơ Miệng xecmăng có thể cắt theo nhiều kiểu khác nhau 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 ,nhưng dễ lọt khí - Loại c : cắt vát một góc 35á450 được d