|
|
13. března 2003
Teorie motoru 3.srozumitelně vysvětlena
Ojnice:
Ojnice slouží jako spojovací článek mezi klikovým hřídelem a pístem
a řeší se zároveň s klikovým hřídelem, zejména ojniční hlava. Její rozměry
by měly být takové, aby se dala protáhnout vrtáním válce. Pokud rozdělíme
ojniční oko kolmo k ose ojnice, vychází ojnice tužší a lehčí. Klikový čep
vychází nejvýše 0,62 – 0,64 D (D = vrtání válce). Většinou průměr ojničního
čepu vyhoví pevnostně i plochou ložiskové pánve. V některých případech
se používá dělení oka pod úhlem 30° nebo 60° - když je průměr ojničního
čepu větší než 0,66 D a je požadována demontáž vrtáním válce. Takto řešené
ojniční oko dovoluje použít průměr čepu až 0,88 D. Jenže u každého šikmého
dělení je velmi nepříznivé rozložení napjatosti, ojnici nevyjímaje. Ojniční
oka musí být co nejtužší, ale přitom lehká. Tuhost oka je nezbytná pro
uložení pánví ložisek, deformace z provozního namáhání musí být co nejmenší,
nejlépe nulová. Je třeba si uvědomit, že ojnice koná složený kývavý a posuvný
pohyb, při kterém je namáhána tahovými, tlakovými a odstředivými silami,
které se pravidelně mění podle směru pohybu klikového hřídele. Vznikající
výslednice sil silně namáhají ojnici, zhuštěná napětí je nutno při návrhu
kontrolovat a podle toho přizpůsobit tvar jednotlivých částí ojnice. Plynulé
přechody z dříku do oka zvyšují tuhost oka a rovnoměrněji rozloží napětí.
Rozměry ojničního oka ovlivňuje umístění spojovacích šroubů, tyto by měly
být co nejblíže čepu. Stěna mezi šroubem a pánví je jen 1 – 1,5 mm, blízké
umístění šroubů omezuje rozevírání styčné plochy v dělící rovině, které
vede k deformaci pánví a jejich zadírání. Tuhost ok se zvyšuje žebry a
nálitky, které zároveň slouží k vyvažování příčných momentů. Velikost nálitků
nebo žeber se určuje jako kompromis mezi tuhostí, hmotností a velikostí
příčného momentu.
Šířka dosedací plochy víka a hlavy ojnice musí být co největší s těžištěm
uprostřed osy šroubu. Přechody z opěrných ploch se řeší různými zápichy,
okrouhlými zářezy apod. pro snížení koncentrace napětí v přechodech. Nedělená
oka se používají u malých motocyklových motorů s děleným klikovým hřídelem.
Ojniční šrouby se řeší jako průchozí, u šikmo dělené hlavy se musí
použít šrouby zavrtané, které dále komplikují návrh ojnice. Šrouby a matice
se používají speciálně vyráběné z velmi kvalitních materiálů, závit se
vyrábí válcováním pro zvýšení pevnosti. Přesný tvar šroubu se určuje podle
návrhu ojničního oka a tak nelze používat šrouby jiné. Platí i pro matice.
Proto při výměně šroubů používáme originální a pokud možno nové. Pro extrémě
namáhané ojnice závodních motorů se používají šrouby se zúženým dříkem,
které jsou pružnější a přestože mají menší průřez, jejich únavová pevnost
je vyšší. Pokud potřebujeme dosáhnout minimální hmotnosti ojničního oka,
používáme šrouby zavrtané – šroub je kratší a má tedy menší hmotnost. Odpadá
výroba dosedací plochy pro matici, ale zase musíme vyrobit závit ve velmi
tvrdém a houževnatém materiálu.
Víko ojnice se musí zajistit proti posuvu v příčném směru. Nejvíce
se používá kalibrovaná válcová plocha na šroubu, která prochází téměř bez
vůle otvory víka a hlavy ojnice. Někdy se používá zajištění pomocí kolíků,
případně se přesazují pánve proti dělící rovině ojničního oka. Posledním
hitem je dělení lomem po obrobení otvoru v ojničním oku, nerovný povrch
lomu do sebe přesně zapadne a znemožňuje posun jakýmkoliv směrem. Používá
se u ojnic vyráběných spékáním z kovových prášků vhodného složení, u výkovků
je čistý lom problémový.
Dřík ojnice mívá nejčastěji profil I. Poměr výšky a šířky dříku je
nejčastěji 1,3 – 1,6. Vnější žebra se v přechodu do hlavy rozšiřují pro
zvýšení tuhosti a pevnosti. Stojina se umisťuje v ose válce. Malé vyosení,
které se dělá pro zmenšení rozteče mezi sousedními válci u uložení za každým
druhým zalomením, někdy způsobuje nerovnoměrné opotřebení ojničních ložisek.
Profil H se používal u hvězdicových motorů a má některé vlastnosti lepší
než profil I. Tento profil se používá jen vyjímečně, u sériových motorů
jsem ho nikdy neviděl, údajně ho měl v sedmdesátých letech motor Renault
1,5 turbo pro F1.
Délka ojnice bývá asi 1,6 – 2,0 Z (Z = zdvih pístu). Z tohoto důvodu
je lepší uspořádání s menším zdvihovým poměrem, protože poměrná délka ojnice
se zvýší a normálná síla na válec z tlaků plynů se sníží. Pokud zvolíme
malé vrtání a velký zdvih, musíme použít ojnici na spodní hranici délky,
jinak se nepřijatelně zvýší výška motoru. Je to sice dobré, protože má
být ojnice z hlediska tuhosti co nejkratší, ale hodnota pod 1,6 Z nepříznivě
ovlivňuje mechanickou účinnost. Proto nelze volit zdvihový poměr libovolně.
V praxi se většinou délka ojnice odvíjí od požadavku, aby se píst v DÚ
co nejvíce přiblížil vývažkům klikového hřídele (někdy se dokonce upravuje
plášť pístu vybráním pro vývažky). Délka ojnice se nejčastěji pohybuje
v rozsahu 1,7 – 1,75 Z.
Pístní oko se provádí pouze jako uzavřené, jen u velkých lodních motorů
je možné je z rozměrových důvodů provést jako dělené. Pístní čep se dnes
používá převážně plovoucí, neboli má vůli jak v oku, tak v pístu. Plovoucí
provedení umožňuje rovnoměrné rozložení tlaků na styčné plochy a rovnoměrné
opotřebení celého obvodu čepu, což znamená vyšší životnost uložení. Přechod
z dříku do oka musí být co nejtáhlejší a nemá se zužovat, jinak má ojnice
v tomto místě snahu se trhat.
V přechodu z ojničního oka do dříku se dělá mazací otvor, kterým vystřikuje
olej a dopravuje se přes stěnu pístu na spodní stranu dna pístu, který
se tímto ochlazuje. Přestože je množství oleje relativně malé, odvádí dostatečné
množství tepla ze dna pístu. Pokud se otvor ucpe a olej nemá možnost chladit
píst, hrozí nebezpečí propálení pístu, proto při jakékoli manipulaci s
ojnicí vždy tento otvor kontrolujte na průchodnost.
Ojnice se vyrábí kováním ze stejných materiálů jako klikový hřídel.
Materiál třídy 16 se používá na ojnice přeplňovaných motorů, 13 240 se
doporučuje pro vznětové motory. Pro malé motory a kompresory se ojnice
vyrábí z litiny. Pro benzínové motory se v ojedinělých případech používají
ojnice kované z lehkých slitin (hliník legovaný hlavně niklem a mědí),
pro závodní motory se používá titan a jeho slitiny. Pro jiné mechanické
vlastnosti titanu proti oceli má titanová ojnice o něco odlišnější tvar
v přechodech, výroba je drahá a obtížná (tvrdost titanu odpovídá tvrdosti
korundu a prakticky se dá jen brousit, běžné soustružnické nože ze slinutých
karbidů hoří). Při výrobě ojnice se obrábí víko ojničního oka společně
s ojnicí a oba díly se označí stejným číslem, většinou číslem válce, v
kterém budou pracovat. Ojnice vyráběné novou technologií spékáním kovových
prášků mají několik dobrých vlastností, výroba je méně energeticky náročná,
prakticky se nevytváří odpad a téměř odpadá finální obrábění. Princip je
v slisování přesně složeného kovového prášku do formy, kde se po stlačení
lisem zahřeje. Jednotlivá zrnka kovu se k sobě spečou a vytvoří díl přesně
podle formy (je to vlastně obdoba výroby slinutých karbidů, které se používají
v obráběcí technice). Ojniční oko je vyrobeno jako celek, rozdělení se
provede zlomením na speciálním stroji. Lom je drsný a obě části do sebe
přesně zapadnou podle lomové drsnosti, tím se zabezpečí neproměnná poloha
obou částí vůči sobě. Díky rovnoměrnému prohřátí materiálu při spékání
nedochází k pnutí materiálu a není potřeba dalších tepelných úprav.
Vůbec posledním nepovedeným hitem je pokus vyrobit ojnici z pásku zastudena
válcované oceli (pevnost 190 – 210 kg/mm2 – záměrně používám staré jednotky
pro lepší představu). Jde o čs. vynález, snad dokonce patentovaný. Vezme
se pásek výše zmíněné oceli o šířce klikového čepu, tloušťce asi 1 mm a
délce rovnající se obvodu ojnice v ose kyvu + 5%, tento se přesně v polovině
délky obtočí okolo pouzdra pístního čepu (tím se vytvoří pístní oko), poté
se prohnou obě strany v požadované délce dříku do tvaru U otevřením dovnitř
(tím se vytvoří dřík) a opět se rovná část pásku obtočí okolo pánve klikového
čepu (máme ojniční oko) a přesahující materiál se v místě dolního vývažku
ohne ven tak, aby obě části byly skoro u sebe, těsně pod spodní pánví se
provrtají a spojí šroubem s maticí. Přebytečný materiál se odstřihne. Hmotnost
ojnice je nepřekonatelně nízká a výroba neskutečně levná. Jenže tuhost
uložení pánví a pouzdra je diskutabilní a pro sériovou produkci nevyhovující.
Bylo okolo toho dost křiku, jak budeme prodávat licence na Západ atd. Po
ohlášení se uskutečnily provozní zkoušky, jejich výsledek oficiálně zveřejněn
nebyl a jak to rychle přišlo, tak to ještě rychleji odešlo. Každopádně
při malé úpravě ložisek je toto provedení velmi vhodné pro závodní motocyklové
motory, kde se více než 130 km většinou neujede a po závodě se vše vymění.
Úprava ojnice spočívá ve vyleštění povrchu podobně jako u klikového
hřídele. Odběr materiálu pro snížení hmotnosti vždy sníží únavovou pevnost
a tak sníží životnost ojnice na počet ujetých km. Lze odbrousit vývažky
na obou okách, toto na životnost velký vliv nemá. Ztenčování dříku ojnice
se musí provádět až po důkladném prověření na zhuštěná napětí a pevnost,
nesprávně provedený odběr materiálu vede k přetržení ojnice s vážnými následky
pro motor (vzpříčená ojnice prorazí blok a poškodí klikový hřídel). Pro
jeden závod je možné použít extrémě vylehčené ojnice, ale po závodě se
musí vždy vyměnit. Pamatuji si výrobu kované ojnice pro silniční jednoválcový
motocykl 125 cm3, kde stojina měla tloušťku papíru a vnější žebra měla
méně než 0,5 mm (proti původní ojnici měla 20% hmotnosti). Motor dával
34 k při 12 500 ot/min a životnost ojnice byla cca 120 km. Po závodě bylo
vidět natažení dříku ojnice, ještě chvíli a podala nám ruku. Pokud se vám
stalo, že se sériová ojnice přetrhla, šlo v drtivé většině případů o vadu
materiálu, která se mohla projevit i po 150 000 km. (Často se s ojnicemi
zachází po dobu generální opravy motoru značně nešetrně, různě se pohazují
z bedny do bedny a pokud dojde k nárazu dříku na tvrdou ostrou hranu, vytvoří
se vrub, který po nějakém čase způsobí zlomení ojnice.) Jak už jsem se
zmínil, vlasové trhliny nebo pecky strusky blízko kraje materiálu postupně
naruší soudržnost materiálu a tento se přetrhne. Narušování materiálu postupuje
pomalu, ojnice se začne všelijak kroutit a plochy lomu se o sebe třou,
tím se vyhlazují a proto bývá místo poruchy různě oleštěné. Ojnice se nepřetrhne
hned, zbylý zatím nenarušený průřez dříku nějakou dobu ještě vydrží. Kované
ojnice mají vysokou houževnatost a tak se materiál před přetržením nejdříve
různě ohýbá a protahuje a teprve potom praskne. Proto mají přetržené ojnice
různé nepochopitelné tvary a povrchy v místě zlomení.
Při výpočtu ojnice na pevnost musíme započítat koeficient pro
střídavé namáhání, který je asi 0,3. Proto pokud máme materiál s pevností
100 kg/mm2, pro střídavé namáhání počítáme jen 30 kg/mm2. Některé konstrukční
ocelové materiály mají změřenou přesnou hodnotu pevnosti pro střídavé namáhání,
která může být i vyšší, najdeme ji v technických listech daného materiálu.
Pokud při návrhu ojnice použijeme tuto hodnotu, materiál by měl mít teoreticky
neomezenou životnost (při výrobě bez technologických vad), počet cyklů
střídavého namáhání není omezen (pokud nepřekračujeme jejich maximální
hodnotu, pro kterou byly počítány). Jakmile tuto hodnotu překročíme, počet
cyklů do možného lomu materiálu se začne snižovat. Materiál se sice ihned
nepřetrhne, to by se musela překročit maximální pevnost materiálu (zmiňovaných
100 kg/mm2), ale nelze mít ojnici v motoru donekonečna. Odlehčit ojnici
pro použití v sériovém motoru pro normální provoz lze pro dosažení lepší
mechanické účinnosti, ale nedoporučuji motor dlouhodobě provozovat v maximálních
otáčkách (ovšem záleží na velikosti odlehčení). Hlavně se nesnažte odebírat
materiál v místech přechodu do pístního oka, tam se potom ojnice nejčastěji
trhá. Pokud nemáte po ruce zkušeného úpravce, postupujte asi takhle: nejdříve
si ojnici co nejlépe prohlédněte a zjistěte podle vzhledu povrchu tzv.
nadbytečný materiál (většinou místa hruběji opracovaná, většinou vnější
plochy žeber dříku, různé předlité nápisy a čísla atd.). Potom si prohlédněte
všechny hrany, tato místa většinou síly nepřenášejí a tak je možné je zakulatit.
Povrch ojnice je vhodné vybrousit a vyleštit, povrchová drsnost od odlití
a kování stejně pro pevnost ojnice nedělá vůbec nic a hlavně se v ní skrývají
povrchové vady. Dosedací plochy pro hlavy šroubů a matic vyleštěte do zrcadlového
lesku a pokud možno použijte nové šrouby s maticemi. Je možné odbrousit
vývažky na obou okách, ale musíme zachovat minimální tloušťku oka pro dobré
uložení pánví ložisek. Nikde nesmí zůstat ostrá hrana, vše by mělo mít
minimální rádius aspoň 1 mm. Doporučuji si kompletní ojnici nejdříve zvážit,
abychom po opracování mohli zjistit míru odlehčení. Zvážit musíte ojnici
celou a potom hmotnost jednotlivých ok (jedno oko na váhu a druhé podložit
ve stejné výšce nějakou opěrkou). Všechny ojnice by měly být stejně těžké
včetně hmotností ok s tolerancí do 1 g. Pokud bude snížení hmotnosti při
dodržení všech výše popsaných pravidel do 10%, můžete motor provozovat
jako před tím, únavová pevnost poklesne minimálně – výrobce si vždy nechává
bezpečnostní rezervu na tolerance sériové výroby. Pokud odlehčíte i pístní
skupinu, namáhání ojnice poklesne a je možné ojnici odlehčit ještě více
bez nebezpečí destrukce. (Nedokáži vám přesně říct výši poklesu životnosti
pro každé ubrané procento materiálu, záleží na mnoha činitelích. Pokud
se skutečně chcete zabývat úpravou, je nejlepší se zeptat u tuningových
firem kam až můžete jít (mají jakési zkušenosti, většinou jde o bývalé
soutěžáky), nebo si příslušně upravené ojnice u nich koupit. Čím máte lehčí
posuvné hmoty, tím jsou menší mechanické ztráty a i bez dalších zvláštních
úprav se zvýší výkon a poklesne spotřeba. A nezapomeňte, že upravovaná
ojnice by měla být nová a nebo by neměla mít moc naběháno. Pokud má použitá
ojnice několik ještě neodhalených povrchových trhlinek, materiál může již
být dost unavený a přestože při úpravě trhlinky odstraníme, hrozí nebezpečí
havárie.
Pístní skupina:
Záměrně nepíši píst, ale pístní skupina, protože se při návrhu pístu
zároveň řeší uložení kroužků a umístění a provedení pístního čepu. Píst
slouží k přenosu tlaku spalování a těsní spalovací prostor proti průtoku
plynů a proti vnikání oleje při všech provozních podmínkách. Těsnící funkci
napomáhají pístní kroužky, které také zabezpečují minimální průnik oleje
do spalovacího prostoru. Píst pracuje za značného tepelného a mechanického
namáhání při nedostatečném mazání a tak jsou na použitý materiál pro výrobu
pístů kladeny velmi náročné požadavky. Technologie výroby pístů je již
u své horní hranice a tak se nedá v dohledné době počítat s nějakými převratnými
novinkami ve výrobě pístů. I ten nejdokonalejší píst má neodstranitelné
nedostatky. Ovšem pro použití v sériových motorech dnešní technologie vysoce
přesahuje požadavky a tak již píst není problematickou součástí motoru
a jeho poruchovost je zcela zanedbatelná.
Kromě přenosu tlakových sil musí píst odvést docela slušné množství
tepla a tak je snaha o co nejmenší povrch dna pístu, které by mělo být
rovinné, bez různých výstupků a zahloubení pro ventily. Nedá se to vždy
splnit a tak se při výpočtu pístu dbá na dostatečné průřezy dna pro dobrý
odvod tepla z inkriminovaných částí. Materiál pístu by tedy měl mít co
nejvyšší tepelnou vodivost (aby teplo rychle odváděl) a zároveň by měl
co nejméně teplo přijímat. Tomuto nejlépe vyhovují slitiny hliníku. Původně
vyráběné písty z levné litiny se při zvyšování litrového výkonu rychle
dostaly na hranici svých možností a dnes se již nepoužívají. Kromě vysoké
hmotnosti měly i vyšší vlastní teplotu, která vedla u zážehových motorů
k samozápalům. Proto pro použití v zážehových motorech nejsou vhodné. U
motorů vznětových ale jejich vyšší teplota je naopak výhodou, pro zapálení
nafty je možné použít menší kompresní poměr a tím se zmenší mechanické
ztráty. Písty pro velké vznětové motory se v případě použití litiny vyrábí
jako dvoudílné – dno pístu se spalovacím prostorem je litinové, bývají
v něm první dva kroužky kvůli odvodu tepla a plášť je hliníkový a obsahuje
zbylé kroužky, obě části do sebe přesně zapadnou (jako LEGO) a spojí se
pístním čepem. Takto provedený píst je relativně lehký, litina má lepší
kluzné vlastnosti proti hliníkové slitině a tak se různé protichůdné vlastnosti
navzájem eliminují. Ovšem nechci tvrdit, že všichni výrobci velkých motorů
používají tuto konstrukci, lisované hliníkové písty pravděpodobně převládají.
Tepelné zatížení pístu silně ovlivňuje velikost jeho celkového roztažení.
Píst by měl mít co nejmenší vůli ve válci, avšak velká tepelná roztažnost
hliníkových slitin nepříznivě ovlivňuje dodržení optimálních rozměrů pístu.
Proto není tvar pístu za studena přesně válcový, ale oválný a kuželový,
po zahřátí na provozní teplotu se vše vyrovná a píst má optimální válcový
tvar. Teplota pístu se mění v provozu až o 120° C a i vůle pístu se v tomto
poměru mění. Aby se roztahování pístu omezilo, je nutné provést určitá
technická opatření. Původní prořezávání drážek v plášti pístu, které zvyšovalo
pružnost pláště a řídilo tok tepla pláštěm dnes ustoupilo zalévání vyrovnávacích
vložek z invaru. Invar je slitina kovů s nepatrnou tepelnou roztažností
a protože má větší pevnost než hliníkové slitiny, znemožňuje roztahování
materiálu pístu v širokém rozsahu teplot. Zvýší se sice vnitřní pnutí v
pístu, ale ne natolik, aby vedlo k jeho poruchám. Nevýhodou je zvýšení
hmotnosti pístu proti celohliníkové konstrukci, invar má vyšší měrnou hmotnost.
Přesto všechno výhody nepatrné tepelné roztažnosti natolik převládají,
že se už dnes nekompenzované písty prakticky nepoužívají.
Jako dilatační vložka se nemusí použít jen invar, ale i jiné slitiny,
nejčastěji Fe – Ni – Co. Poměrem prvků ve slitině se mění vlastnosti při
různých teplotách a tak se dají pro to které provedení motoru vytvořit
optimálně fungující písty. Z těchto slitin se také vyrábějí můstky pro
uložení pístních kroužků, z nich se velmi osvědčilo použití nirezistu.
Malá vůle je nezbytná pro dobré vedení pístu a hlavně pístních kroužků
ve válci, jakékoliv naklopení má za následek obrušování hran kroužků, které
postupně přestávají plnit svoji funkci. Kroužek navíc vydírá povrch válce
a snižuje jeho životnost. Za chodu motoru dochází k přemísťování kroužků
v drážce pístu od jedné strany k druhé, pokud se k tomu ještě přidá další
vektor, kroužek začne vytloukat drážky, čerpací účinek z pohybu „tam a
zpět a ještě kamsi“ se zvýší a olej více proniká nad píst, kde se spaluje
a uniká výfukem ven. Původní písty škodovek dilatační opatření neměly a
sami znáte jejich problémy – po nějakých 50 – 60 000 km se začne spotřeba
oleje zvyšovat a pokud vozidlo jezdí převážně po městě a převládá u něj
provoz za nízkých teplot chladící kapaliny (časté studené starty), v 80
000 km se s motorem pořádně nedomluvíte. Teprve přísnější legislativa donutila
AZNP Mladá Boleslav použít písty u Favorita s invarovou vložkou, předpokládalo
se brzké uzákonění používání katalyzátorů. Kromě olova a nespálené směsi
je špatně spálený olej nejdůležitější veličinou vedoucí k zničení katalyzátoru.
Porovnejte spotřebu oleje a životnost motorů řady Š 105 – 120 a Favorita,
rozdíl je značný. Je pravdou, že bylo provedeno množství dalších zásahů
na motoru včetně použití jiných pístních kroužků a materiálu válců, ale
i tak je použití kompenzovaných pístů přínosem. Malá vůle pístu ve válci
ovlivňuje hlučnost motoru, kompenzovaný píst má až o 3 dB u vodou chlazeného
a 8 dB u vzduchem chlazeného motoru nižší hlučnost, zvlášť po spuštění
studeného motoru je rozdíl výrazný. Pokud je motor ještě v dobrém stavu,
vliv pístu na hlučnost je malý. Jak jsem popsal v předchozím díle, klopení
pístu se omezuje kromě malé vůle ještě vyosením klikového hřídele od osy
válců, písty jsou tak tlačeny více k jedné straně válce a k významnějšímu
klopení ve válci dochází jen krátkodobě při odlehčení motoru.
Písty se dnes vyrábějí jako odlévané (do písku, do kokily) nebo kované
(lisované). Odlévané písty dostatečně vyhovují pro sériové motory a měrné
výkony do 60 kW/dm3. Při pečlivém návrhu je možné použít odlévané písty
i pro měrné výkony vyšší, pokud se nepředpokládá dlouhodobý provoz na plný
výkon. Takto zhotovené písty jsou výrobně levné a výrobní zmetkovitost
je na přijatelné úrovni. Kované písty se vyznačují vyšší pevností a proto
je možné snížením tloušťky stěn dosáhnout nižší hmotnosti. Kované písty
jsou nezbytností u vysokovýkonných motorů. Z pevnostního hlediska je dno
předimenzováno, protože dno pístu nejen že přenáší tlak na ojnici a klikový
hřídel, ale zároveň odvádí největší díl tepla, které píst absorbuje. Proto
musí být tloušťka dna dostatečná, aby se teplo rychle odvádělo přes pístní
kroužky do stěny válce. Zesílení pístu v místě uložení pístního čepu se
dělá co nejmenší, aby se zbytečně nezvyšovala hmotnost pístu. Stěna pístu
se v ose pístního čepu může značně vylehčit nebo dokonce úplně odstranit,
protože nepřenáší žádný tlak z působení plynů. U závodních motorů se používají
tzv. T-písty, jejich název vznikl z jejich charakteristického tvaru písmene
T při pohledu na bok pístu kolmo na pístní čep. Plášť prakticky chybí,
jen na stranách kolmých k ose pístního čepu jsou úzké pásky materiálu ode
dna dolů, které nahrazují plášť pístu, aby byl píst ve válci nějak veden.
Jde o nejlehčí variantu pístu danou objemem použitého materiálu. AZNP jimi
osazovala svoje závodní motory již někdy v 70. letech.
Materiálem používaným na výrobu pístů jsou nejčastěji hliníkové slitiny.
(Slitiny hořčíku se používají jen u závodních motorů, jejich výroba je
velmi drahá a dá se zdůvodnit nižší měrnou hustotou hořčíkových slitin.)
Počet a množství legujících prvků se liší podle účelu použití pístu. Slitiny
s vysokým obsahem křemíku mají velmi dobré vlastnosti ohledně pevnosti
a kluzných vlastností a jsou určeny pro písty kované. Mají také menší tepelnou
roztažnost. Z tohoto pohledu se rozlišují písty s obsahem křemíku do 13%
(min. 11%) a nad 13% (max. 18%). První skupina se používá pro zážehové,
druhá skupina pro vznětové motory. Většina výrobců kovaných pístů si technologické
postupy chrání jako průmyslové tajemství a tak se dopátrat přesných postupů
je pro našince nemožné. Ne že by technologie výroby takových pístů nebyla
metalurgům známá, ale při vývoji pístů přidáváním dalších prvků se původní
postup musí upravit a tyto jemnosti si firmy nechávají pro sebe. Nám se
podařilo vyrobit píst do stopětadvacítky až na šestý pokus, když jsme ještě
předtím asi deset pístů úmyslně zničili při kontrole zrnitosti materiálu
(čím jemnější zrnitost, tím pevnější a kvalitnější je materiál). Dnes se
vůbec divím sám sobě a ostatním zúčastněným, že jsme na toto měli odvahu.
Na druhé straně jsme tehdy byli jediní v republice, kdo se kované „třináctiprocentní“
písty odvážil sám a úspěšně vyrobit, ostatním zbýval pouze nákup v devizové
cizině, nebo jezdit s upravenými sériovými výrobky. Jediný pokus mnohonásobného
mistra republiky (jméno doplň sám) vypadl (po zoufalém „odskákání“ tréninku)
v druhém kole závodu a tím tento pro něj skončil nadobro (píst zadřený
tak, že ho dostávali ven z válce velkou palicí). Jinak obsah křemíku v
sériových pístech většinou nepřesahuje 2%. Při návrhu pístů se musí dbát
na umístění dilatačních vložek a pouzdra pro uložení pístních kroužků.
O dilatační vložce z invaru již byla zmínka, pouzdro pro pístní kroužky
je nutné z hlediska životnosti drážek pro uložení kroužků. Kroužek se za
pohybu pístu přemísťuje mezi horní a dolní stěnou drážky a má snahu drážku
roztahovat. Nesmíme zapomínat, že píst provede za dobu své životnosti několik
stovek miliónů pohybů mezi úvratěmi a při průměrné pístové rychlosti 6
– 10 m/s působí pístní kroužky na stěny drážky dost velkými silami. Kroužek
musí být v drážce volně posuvný, aby mohl svojí pružností plnit určenou
funkci. Přestože je axiální vůle max. 0,03 mm, k axiálnímu pohybu kroužku
dochází a při drážkách vyrobených soustružením v hliníkové slitině pístu
dochází postupně k vytloukání hliníkové slitiny a zvětšení vůle se všemi
negativními důsledky pro činnost pístních kroužků. Kroužek se potom v drážce
nadměrně pohybuje a podporuje čerpací účinek, kterým se dostává olej nad
píst do spalovacího prostoru. Kroužky se proto ukládají do zalitých vložek
z odolnějších materiálů.
Poznámka: v detonačním režimu nebo při tepelném přetěžování (nevhodný
předstih nebo použité palivo) dochází k tzv. propalování pístů. Propalování
pístů z účinků tepla je signálem, že píst nebyl optimálně navržen z hlediska
odvodu tepla, nebo není dno pístu zespodu ostřikováno olejem, který běžně
odvádí asi 10% celkového tepla. Tento jev není příliš častý a může se vyskytovat
při zvyšování výkonu pomocí přeplňování. Druhým jevem, který způsobuje
propálení dna pístu, je kavitace. Kavitace je jev velmi známý u vodních
čerpadel a vodních turbín, v principu jde o prudké změny tlaku, kdy se
rychle mění vysoký tlak až na značný podtlak, dochází k tvorbě plynových
dutin, které se rychle zaplňují kapalinou a tak pořád dokola. Projevuje
se zvýšeným hlukem a pokud vzniká kavitace v blízkosti stěn, narušuje jejich
povrch vytrháváním zrn materiálu. Rozdíl mezi propalováním a kavitací se
pozná podle struktury okrajů otvoru, kavitace nezpůsobuje tepelné změny
materiálu (není rozteklý okraj otvoru). Proti působení kavitace příznivě
působí vyleštění dna pístu, případně zvýšení tvrdosti povrchu (nejlépe
kombinace obou).
Pístní kroužky se dnes zpravidla používají tři (dva těsnící a jeden
stírací), u vznětových motorů čtyři (tři těsnící a jeden stírací). Dříve
se používaly kroužky čtyři i u zážehových motorů pro doplnění funkce těsnících
kroužků při případném zapečení jednoho z nich. Některé konstrukce používaly
dva těsnící a dva stírací kroužky, kdy jeden z nich byl až pod pístním
čepem a snižoval spotřebu oleje lepším udržováním mazací vrstvy na stěnách
válce. První dva kroužky mají za úkol těsnit píst ve válci proti pronikání
plynů pod i nad píst, třetí kroužek zajišťuje stírání přebytečného oleje
a udržuje optimální mazací vrstvu. Prostřední kroužek zpravidla mívá kombinovanou
funkci těsnící a stírací. Snaha o co nejmenší třecí ztráty vede k provedení
jen se dvěma kroužky, vývoj zatím pokračuje i když už jsem někde zaslechl,
že snad Audi už něco do sériové výroby chystá. Nejvíce namáhaným kroužkem
je kroužek první. Jeho úkolem kromě těsnění pístu je odvod tepla ze dna
pístu do stěny válce. Všechny kroužky odvedou z pístu 60 – 80% tepla, zbytek
se odvede stěnami a umělým chlazením ostřikem spodní části dna pístu olejem
výstřikem z otvoru v ojničním oku. První kroužek odvede až 80% tepla připadající
na kroužky, poslední kroužek odvádí již zanedbatelné množství. Vyrábí se
z litiny nebo oceli. Pro zvýšení životnosti se styčná plocha kroužku s
válcem opatřuje vrstvou tvrdochromu a nebo molybdenu. Tvrdochrom a litina
se jako třecí dvojice při dobrém mazání vyznačují nepatrným opotřebením.
Pokovení má ale jeden zápor – nedají se dodržet vnější ostré hrany kroužku,
které jsou důležité pro těsnící funkci. Zvýšení životnosti prvního kroužku
pokovením je natolik významné, že se ostré hrany oželí. Pokovit litinu
nejde a tak se první kroužky vyrábí vesměs z oceli.
První kroužek má často prostý obdélníkový průřez, nebo se vyrábí tzv.
minutový (se zkosením 0,75?) a styčná plocha se pokovuje. Vnitřní horní
hrana se někdy mírně zkosí pod úhlem 45?, podle zkušeností se zmenší čerpací
účinek kroužku. Drážka pro první kroužek mívá větší vůli, od 0,041 do 0,08
mm. Při návrhu kroužku se dbá na optimální přítlak a velikost kroužku,
aby se v provozu příliš neměnila vůle v zámku. Tvary zámků se používají
různé, od jednoduché kolmé štěrbiny přes šikmý řez až po složité překrývání
bez jakékoliv mezery. Pokud je kroužek optimálně navržen, většinou vyhoví
kolmá štěrbina. Tloušťka kroužku nesmí být nadměrná, zvětšují se třecí
ztráty (musí mít větší přítlak) a kroužek se za provozu špatně přizpůsobuje
tvaru válce. Tlustý kroužek je těžší a více vytlouká drážky. Protože se
špatně přizpůsobuje změnám pohybu, dochází často k jeho rozkmitávání, čemuž
napomáhá také působení tlaků plynů z obou stran kroužku. Z praktických
zkušeností vyplynula největší použitelná tloušťka 2 mm, nyní se používá
1,5 mm i méně. Tloušťka kroužku je dána také vrtáním válce, velké písty
mohou mít kroužky tlustší. Vzdálenost prvního kroužku ode dna pístu se
volí taková, aby teplota v drážce nepřesáhla 220? C, běžné hodnoty se pohybují
v rozmezí 190 – 210? C. Při teplotách vyšších (při 250? C) začne olej vytvářet
pryskyřičné látky (asfaltovatět) a kroužky se zapečou. Jakmile nemají možnost
pohybu v drážce, jejich funkce je narušena, zvýší se profuk okolo pístu
do klikové skříně, klesnou kompresní i spalovací tlaky a poklesne výkon
doprovázený zvýšením spotřeby oleje a paliva. Pokud není motor nadměrně
opotřebený, lze demontáží pístů a vyčištěním drážek (provádí se nejlépe
použitým zlomeným kroužkem stejného typu) obnovit původní funkci kroužků.
Doporučuji poté vyměnit všechny kroužky za nové a použít olej vyšší výkonnostní
klasifikace. Poté věnovat prvních 1 500 km pozornost záběhu kroužků, motor
nadměrně nezatěžovat.
Druhý kroužek může mít tvar přizpůsobený specifické funkci, pokud chceme
dosáhnout kombinované funkce těsnící a stírací, použijeme kroužek s osazením
nebo zkosený. Osazený kroužek má na spodní hraně ve styku s válcem zápich,
jehož ostrá hrana napomáhá stírání oleje při pohybu pístu k DÚ. Takový
kroužek má Š 120. Kroužek zkosený má styčnou plochu s válcem zkosenou pod
úhlem 15´, 30´nebo 2? při pohybu pístu k HÚ kroužek jakoby nabíhá na olejovou
vrstvu a při opačném pohybu ostrá spodní hrana přebytečný olej stírá ke
spodní straně válce. Kroužek tohoto typu je ve Š 105. Tyto kroužky se nepokovují,
pokovení by narušilo ostrost stíracích hran. Zkosený kroužek napomáhá záběhu
pístní skupiny ve válci. Pro tloušťku kroužku platí totéž, co pro první
kroužek.
Třetí stírací kroužek má pouze jednu funkci, a to stírat přebytečný
olej a udržovat optimální mazací vrstvu oleje na stěnách válce. Protože
se válec maže odspodu ostřikem, musí kroužek odvádět celkem velké množství
oleje a tak je jeho konstrukce odlišná od prvních dvou. Kroužek má celkově
dvojnásobnou šířku. Tvar kroužku je složitý, obdélníkový průřez má ve styčné
ploše uprostřed zápich a v něm několik otvorů pro odvod oleje přes stěnu
pístu zpět. Okraje kroužku ve stykové ploše s válcem mají tedy celkovou
skutečnou tloušťku zhruba stejnou jako první dva kroužky. Tyto plochy se
zkosí pod úhlem cca 4 - 5? (nebo 18 - 20?) buď na vnějších hranách, nebo
vždy na straně ke dnu pístu. V prvním případě stírají při každém směru
pohybu pístu (Š 120), v druhém případě stírají pouze při pohybu k DÚ (Š
105). Aby se dosáhlo co nejlepšího přítlaku tohoto kroužku, opatřuje se
tzv. expandérem, což bývá dlouhá válcová pružina o malém průměru (asi 2,5
mm), která se umístí mezi vnitřní stěnu drážky a kroužek. Svou pružností
napomáhá optimálnímu přítlaku kroužku. Expandér nemusí být válcová pružina,
ale jakýkoliv pružný člen, který zabezpečí přítlak kroužku. Popisovaný
kroužek je tedy tvořen dvěma částmi. Poslední výzkumy doporučují použití
tzv. skládaných kroužků. Tyto kroužky se skládají ze tří částí, expandéru
a dvou stíracích kroužků. V principu jde o dvoudílný kroužek, který má
rozdělenou stírací část axiálně na dvě části. Protože již není zapotřebí
vytvářet otvory pro odvádění oleje, střední část kroužku chybí. V praxi
má tento kroužek expandér tvaru U se širokými límci a dva velmi tenké jednoduché
kroužky, které límce expandéru přitláčí na válec. Jelikož oba kroužky pruží
nezávisle na sobě, mohou se lépe přizpůsobovat tvaru válce a tím se dosáhne
velmi dobrých výsledků při stírání oleje. Tyto kroužky lze pokovovat podobně
jako těsnící kroužky. Kroužek se dá vyrobit celkově užší (3 mm), jeho funkčnost
zůstává zachována po celou dobu životnosti motoru (do GO). Takové licenčně
vyráběné kroužky (Nippondenso) má motor Favoritu a další následující. Někdy
se drážka pro stírací kroužek vyrábí jako nepatrně lichoběžníková, kroužek
lépe roztírá mazací olej a omezuje se čerpací účinek oleje.
Popisované kroužky patří k tzv. klasickým, používaným v Evropě dlouhá
desetiletí. Pokud se použije dostatečně kvalitní materiál na válce, kroužky
a provedení pístu je také na úrovni, celá pístní skupina dlouhodobě plní
svoji funkci. Vzhledem k množství ujetých kilometrů běžným spotřebitelem
je životnost motorů v Evropě dostačující. Ovšem v zemích za oceánem se
jezdí autem výrazně více a proto se hledaly způsoby, jak co nejvíce prodloužit
životnost motorů a zvláště pístních kroužků. Vzniklo proto několik různých
konstrukcí těsnících kroužků, z nichž se praktického uplatnění dostalo
dvěma provedením, kroužkům zborceným a typu Keystone.
Zborcený kroužek vznikne tak, že se vyrobí normální kroužek s jiným
poměrem tloušťky a šířky. Pokud je šířka větší než je obvyklé, kroužek
při stlačení v drážce má snahu se zbortit – prohnout a tím se vymezí vůle
mezi kroužkem a drážkou. Tomuto se napomáhá i tvarem a technologickým zpracováním,
aby se kroužek zbortil vždy tak, že se horní vnější hrana opře o horní
stěnu drážky a spodní vnitřní hrana o spodní stěnu drážky. Takový kroužek
nekmitá, zamezuje tvorbě pryskyřicovitých látek v drážce a silně omezuje
čerpací účinek oleje.
Kroužky Keystone mají výrazně lichoběžníkový tvar, tvar drážky v pístu
je také lichoběžníkový. Lichoběžníkový tvar napomáhá výměně oleje v drážce
pístu a tím omezuje vytváření pryskyřicovitých látek v drážce a nedochází
tak ke svírání kroužku při velmi malé vůli kroužku v drážce. Profil kroužků
je buď symetrický nebo asymetrický lichoběžníkový. Symetrické kroužky mají
úhel 15?, asymetrické mají horní stranu pod úhlem 7,5?.
Doporučovaná sestava kroužků podle SAE: první kroužek obdélníkový
pokovený, druhý kroužek zkosený a třetí třídílný skládaný (přesně tak to
má Favorit).
Pístní čep – jde v podstatě o dutý váleček z kaleného a broušeného ocelového
materiálu. Čep se používá buď pevný, nebo plovoucí. Pevný čep je upevněn
bez vůle v oku ojnice a koná kývavý pohyb v pístních okách. Plovoucí čep
je uložen letmo jak v pístním oku ojnice, tak v pístu. Plovoucí provedení
vykazuje vyšší životnost, protože se čep volně otáčí a tak se rovnoměrně
opotřebovává po celé své ploše. Protože se obě vůle sčítají, má píst větší
volnost pohybu ve válci a tak si najde lepší dráhu pohybu ve válci. Čep
se vyrábí z oceli třídy 12, 14, 15 a pro vysoce zatížené motory z materiálu
třídy 16, která vyniká velkou pevností a odolností proti opotřebení. Povrch
čepu se cementuje nebo nitriduje do hloubky až 1,5 mm pro zvýšení únavové
pevnosti. Požadavky na čep jsou: malá hmotnost, velká tuhost a odolnost
proti opotřebení při špatném mazání. Odlehčení čepu se dělá nejčastěji
kuželovým vybráním vnitřního otvoru. Proti vypadnutí čepu se pojišťuje
pružnými kroužky v drážkách pístu, vůle mezi kroužkem a čepem bývá asi
0,5 mm.
Zvláštním typem uložení pístu je lichoběžníkové zkosení pístního oka
ojnice a ok pístu. Tím dojde k překrytí a zvětšení dosedacích ploch, které
snižuje ohybové namáhání čepu. Tento může být kratší a tedy lehčí. Vedení
pístního čepu se tímto zlepší a zabrání se tedy jeho vzpříčení. Výroba
takového provedení je ovšem náročnější a tak se toto provedení moc nepoužívá
(zatím jsem se s ním v praxi nesetkal).
Praxe:
Písty mají vždy určenou montážní polohu, označenou na dně nebo stěně
pístu. Nejčastěji se označuje šipkou, která udává smysl otáčení. Při výběru
pístů (pokud nemáme k dispozici příslušnou sadu) dbáme na rozměrové a hmotnostní
tolerance určené k příslušným válcům. Toleranční třídy se označují nejčastěji
písmeny, musíme mít označené písty stejným písmenem. Při úpravě odlehčením
dbáme na stejnou hmotnost všech pístů, nejdříve je všechny zvážíme a potom
podle hodnoty nejlehčího ostatní upravíme. Pokud máte možnost strojního
leštění, vyleštěte povrch dna pístu co nejvíce to půjde, kromě zvýšení
odolnosti proti kavitaci se na něm méně usazují zbytky spalování. Pístní
kroužky nasazujeme od třetího k prvnímu (směrem od pláště ke dnu pístu).
Při montáži pístního čepu se někdy musí píst ohřát na teplotu mezi 80 a
100? C (u řady 105 – 130 ano, u Favorita není nutné). Pojistné kroužky
čepu použijeme vždy nové. Píst a kroužky před montáži do válce řádně namažeme
motorovým olejem, který budeme později v motoru používat. Přebytečný olej
na dně pístu setřeme, zbytečně by se napaloval.
Pístní kroužky montujeme vždy nějakou značkou nebo označením TOP nahoru
(ke dnu pístu). Pokud označení nemá, montuje se v libovolné poloze (symetrické
provedení kroužku). Rozmístění zámků kroužků předepisuje výrobce a je vhodné
ho dodržet, jen tehdy mají optimální funkci a maximální životnost. U dvoudobých
motorů se používají tři stejné kroužky, stírací nemá význam. Tyto kroužky
mají zámky upraveny tak, že je možné je namontovat jen do jedné polohy
(v drážkách jsou aretující výstupky), aby nedošlo k otočení kroužků zámky
do jednoho z kanálů, kde by se vzpříčily a způsobily havárii pístů. Závodní
dvoudobé motory mají jen jeden kroužek o tloušťce asi 1 mm, ve vysokých
otáčkách je jejich těsnící funkce dostačující.
O pístním čepu toho není moc co říci, jen dbát na správné usazení pojistných
kroužků, při vypadnutí z drážky se dostanou kam nemají a během krátké doby
vytvoří nádhernou drážku ve válci odshora až dolů.
Pokud se chystáte na GO nějaké 105 – 120, vyrábí se a jsou běžně k dostání
sady pístů s vložkami typu Favorit, sice bez dilatačních vložek, ale se
stejnou sestavou kroužků. Pokud ještě upravíte vodítka ventilů pro použití
těsnících gufer a zajistíte motor proti úniku oleje okolo všech možných
těsnění, spotřeba oleje přestane být měřitelná (vlastní zkušenost). Bohužel
pro Š 130 se podobné písty nevyrábí, je možné použít sadu z Favorita (včetně
vložek z kvalitnějšího materiálu) a snížit hlavu z důvodu dodržení kompresního
poměru.
Jak se brousí surový odlitek pístu – upevní se do speciálního držáku
v brousícím stroji, roztočí se a ohřívá se plamenem (plamen směřuje na
dno pístu), až dno dosáhne teploty 350? C (zhruba provozní teplota pístu).
Potom se brousí na požadovaný průměr. Po ochladnutí se jeho tvar změní
na oválný a kuželový, což značí úspěšnost postupu. Dosažený tvar není úplně
přesný, protože například ze strany, kde je umístěna svíčka, se píst ohřívá
více a teplotní spád mezi touto a protilehlou stranou je až 100? C a tak
by měl být píst nabroušen více asymetricky. Ovšem v praxi tento postup
vyhovuje. Dále je možné píst galvanicky pocínovat. Cín zlepšuje kluzné
vlastnosti pístu a zároveň v místech, kde dochází vlivem výrobních nepřesností
k přidírání, se cín vysokou teplotou roztaví a setře se; v místech kde
byla vůle před pocínováním větší, tuto zmenší.
Použití opravárenských kroužků firmy Goetze – většinou působí skvěle,
ale krátkodobě a pro tzv. generálku je nedoporučuji, po několika málo tisících
kilometrech (někdy i po stovkách km) se opět spotřeba oleje zvýší na neúnosnou
mez. Zatím jsem těch úspěšných oprav těmito kroužky napočítal velmi málo,
slovy jednu na Š 1000 MB (vydržely mu tam přes 20 000 km, potom auto prodal).
Před takovou opravou si zkontrolujte stav válce v horní části, kam dobíhá
první kroužek – pokud je v tom místě již znatelný zub (zjistit se dá nehtem),
nemá cenu se o překroužkování pokoušet. Motor sice okamžitě přestane kouřit,
ale po 500 km se vše vrátí do původního stavu. Osobně u škodovek vzhledem
k ceně těchto kroužků (sada 800 – 1 000 Kč) je lepší provést celkovou GO
motoru. Pozor – Goetze vyrábí i normální pístní kroužky pro prvovýrobu,
při koupi je na to třeba upozornit prodejce, aby vám nedal jiný typ.
Škodovkářům zdar!
Autor článku: CJ (Jiří Čech)zobrazit další autorovy články 
upravit článek pro tisk 
|
|
|
![ŠKODA techweb [homepage]](images/skoda_techweb.gif)
