پیستون چیست و چگونه کار می کند + وظیفه پیستون خودرو ، انواع پیستون

پیستون چیست و چگونه کار می کند + وظیفه پیستون خودرو ، انواع پیستون

یکی از این تجهیزات مهم ، پیستون خودرو است که می‌ تواند براساس مکانیزم طراحی شده انرژی حاصل از احتراق سوخت در موتور را به حرکت رفت و برگشتی تبدیل نموده و در نهایت این حرکت ، به چرخ‌ ها و به صورت حرکت چرخشی منتقل می ‌شود .

پیستون قطعه ‌ای تقریبا استوانه‌ای شکل است ؛ تقریبا از آن روی که سازندگان این قطعه ، به مقدار بسیار اندک به آن شکل بیضوی می ‌دهند چرا که به دمای پیستون به هنگام حرکت خودرو به شدت بالا می ‌رود و حتی ممکن است به دماهایی چون 2200 درجه سانتی‌ گراد نیز برسد و همین امر باعث انبساط پیستون می ‌گردد و در این وضعیت است که پیستون شکل استوانه ‌ای به خود می ‌گیرد . این قطعه استوانه ‌ای حرکت ‌های رفت و برگشتی رو به بالا و پایین دارد که در هنگام بالا رفتن منجر به متراکم شدن سوخت می ‌گردد و پس از احتراق و انفجار ، به سمت پایین حرکت می‌ کند .

این حرکت رفت و برگشتی توسط میل ‌لنگ ، به حرکت دورانی تبدیل می ‌شود . شایان ذکر است که چنانچه ، پیستون و  سیلندر نسبت به هم خلاصی نداشته باشند و یا به عبارتی دیگر ، اصطکاک بین سیلندر و پیستون بیش از حد باشد ؛ عملا حرکت رفت و برگشتی به سختی انجام شده و منجر به آسیب ‌های جدی به سیلندر و پیستون خواهد شد .

پیستون‌ ها از 4 قسمت مهم تشکیل شده ‌اند :

تاج پیستون

تاج پیستون همان قسمت بالایی پیستون بوده و شکل آن تاثیر بسزایی بر نحوه احتراق سوخت دارد چنانچه طراحی صحیح آن ، باعث اختلاط بهتر سوخت و هوا شده و قدرت بهینه را تولید می‌ نماید . تاج پیستون می ‌تواند به سه شکل صاف ، محدب و یا مقعر طراحی گردد .

دامنه پیستون

دامنه یا تنه پیستون در سه نوع بدون برش ، نیمه برش و برش کامل ساخته می ‌شود .

شیار رینگ‌ها

شیار ها در قسمت بالایی دامنه قرار داشته و رینگ ‌ها در داخل آن جای می ‌گیرند . رینگ ‌ها از جنس چدن ساخته شده و چندین وظیفه اساسی بر عهده دارند :

1- کاهش سطح تماس میان پیستون و جداره سیلندر تا حداقل ممکن : افزایش سطح تماس به معنای افزایش اصطکاک بوده و آسیب‌ های جدی را به دنبال خواهد داشت ؛ شایان ذکر است که رینگ‌ ها شاید بعد از مدتی ساییده شده و این امر نیز می ‌تواند منجر به افزایش اصطکاک گردد .

2- درز بندی محفظه احتراق و جلوگیری از نشت گاز از اطراف پیستون : نشت گاز از اطراف پیستون می ‌تواند در کار موتور اختلال ایجاد نماید که رینگ ‌ها وظیفه‌ آب‌ بندی و جلوگیری از این مورد را بر عهده دارند .

3- انتقال گرما از پیستون به جداره سیلندر : همان طور که گفته شد ، دمای پیستون به هنگام کار به شدت افزایش می ‌یابد و باید دمای آن کاهش پیدا کند که رینگ ‌ها در این امر تاثیر گذار بوده و با انتقال گرمای پیستون به سیلندر که دمای پایین ‌تری دارد به کاهش دمای پیستون کمک می ‌کند .

4- روغن کاری در فاصله بین دیواره سیلندر و پیستون : روغن‍ کاری دیواره منجر به کاهش اصطکاک بین دیواره سیلندر و پیستون می‌ گردد .

5- گژنبین : گژنبین یا انگشتی ، میله ‌ای تو خالی بوده و رابط بین شاتون و پیستون است .

تعداد پیستون موتور خودرو

جهت افزایش قدرت تولیدی موتور ، تعداد سیلندر ها نیز افزایش و بر اساس آرایش و تعداد سیلندر ها ، تعداد پیستون ‌ها تعیین می ‌گردد . موتور ها بر اساس نحوه چیدمان به دو دسته خطی و V شکل تقسیم می ‌شوند . موتورهای خطی شکل از تک ‌سیلندر تا 5 سیلندر و موتورهای V شکل نیز شامل موتور های  5 ، 6 و 8 سیلندر هستند . واضح است که به تعداد سیلندر ها ، پیستون باید در داخل سیلندر نصب گردد به عنوان مثال موتور 8 سیلندر دارای 8 پیستون نیز است .

جنس پیستون

پیستون از دو جنس آلیاژ آلومینیوم و یا آلیاژ چدن ساخته می ‌شوند که هر کدام دارای مزایا و معایبی هستند . از مزایای آلومینیوم می ‌توان به سبکی و ضریب انتقال حرارتی بالا اشاره نمود در مقابل آلومینیوم دارای معایبی چون قیمت بالا و انبساط زیاد است . از مزایای چدن نیز می ‌توان به مقاومت بالا در برابر حرارت ، قیمت پایین و انبساط کم آن اشاره نمود و معایب آن نیز شامل مواردی چون وزن زیاد و انتقال حرارت کم است .

انواع پیستون‌ها

پیستون ‌ها از دیدگاه‌های مختلفی تقسیم ‌بندی می ‌شوند که یکی از این دسته ‌بندی ‌ها بر اساس نوع موتور است . پیستون ‌ها از این منظر به دو نوع دو زمانه و چهار زمانه تقسیم می‌ شوند .

پیستون‎‌ های دو زمانه

این پیستون ‌ها برای موتورهای کوچک و موتورسیکلت‌ ها استفاده شده و به دلیل ماهیت عملکرد موتور های دو زمانه ، در معرض بار های شدید مکانیکی و حرارتی قرار می‌ گیرند .

پیستون‎‌های چهار زمانه

این پیستون‌ ها عمدتا در خودروهای سواری و سبک استفاده می‌ گردد .

سایز پیستون

عمدتا قطر پیستون‌ های موتور خودرو بین 76 تا 122 میلی متر بوده و جهت عملکرد مناسب موتور ، باید تمام پیستون ‌ها به لحاظ اندازه و وزن یکسان باشند تا موتور دچار لرزش نگردد .

خرابی ‌های پیستون خودرو

ذوب شدگی پیستون

حرارت بالا می ‌تواند منجر به ذوب شدن پیستون خودرو گردد که می‌ تواند ناشی از موارد ذیل باشد :

1- زمان تزریق اشتباه

2- درزبندی نامناسب

3- تاخیر احتراق

4- خرابی نازل‌ های تزریق

5- حجم تزریق اشتباه

ترک ‌خوردگی

ترک ‌خوردگی از دیگر خرابی ‌های رایج پیستون خودرو است که می‌ تواند بر اثر عوامل زیر به وجود آید :

1- نازل تزریق خراب

2- فشار ناکافی

3- زمان تزریق اشتباه

4- حجم تزریق اشتباه

5- ریخته‌ گری اشتباه

6- خنک ‌سازی ناکافی

7- بار بیش از حد

خرابی رینگ

همانطور که گفته شد ، رینگ ‌ها ، وظایف بسیار حیاتی را برعهده دارند که موارد زیر می ‌تواند به آسیب رینگ ‌های منجر شود :

1- مشکلات موجود در مونتاژ اولیه

2- سرریز شدن سوخت

3- فرسایش محوری مهره رینگ

4- صاف شدن رینگ

فرسایش شعاعی پیستون

فرسایش شعاعی می‌ تواند ناشی از موارد ذیل باشد :

1- اختلال در احتراق

2- فشار ناکافی فشرده سازی

3- ابعاد اشتباه پیستون

4- وجود مواد خورنده

شرح کلی پیستون خودرو :

در حرکت انبساط تا 18000 نیوتون ( 4000 پوند ) نیرو به طور ناگهانی به کف پیستون وارد می شود . وقتی با سرعت زیاد رانندگی می کنید این اتفاق در هر سیلندر 30 تا 40 بار در ثانیه رخ می دهد . دمای کف پیستون به 2200 درجه سانتی گراد ( 4000 درجه فارنهایت ) یا بیشتر می رسد .

پیستون از آلیاژ آلومینیوم ساخته می شود ( آلیاژ آلومینیوم مخلوطی از آلومینیوم و فلز های دیگر است ) ، زیرا فلز سبکی است . وزن هر پیستون در حدود 0.450 کیلو گرم ( 1 پوند ) است . دامنه یا قسمت پایین پیستون را می تراشند تا هم وزن آن کاهش یابد و هم جا برای وزنه های تعادل میل لنگ باز شود .

قطر پیستون های موتور خودرو بین 76 تا 122 میلی متر ( 3 تا 4 اینچ ) تغییر می کند . همه پیستون ها باید هم وزن باشند تا موتور دچار لرزش نشود . پیستون های آلومینیومی را به یکی از دو روش ریخته گری وآهنگری می سازند .

مقایسه دمای کار پیستون های ریخته گری و دمای کار پیستون های آهنگری

پیستون های آهنگری شده را با استفاده از لقمه های آلومینیوم آلیاژی می سازند .

پس از ماشین کاری پیستون آن را طبق روال خاصی گرم و سرد می کنند و به اصطلاح روی آن عملیات گرمایی انجام می دهند تا خواص مطلوب را پیدا کند . پس از این مرحله روی بسیاری از پیستون ها را با لایه نازکی از آب قلع یا مواد دیگر می پوشانند . در نتیجه هنگام راه اندازی موتور سطح پیستون ساییده نمی شود .

در بیشتر موتور های پر قدرت از پیستون های آهنگری شده استفاده می شود . پیستون های آهنگری شده در مقایسه با  پیستون های ریخته گری متراکم تر و محکم ترند و در دمای پایین تری کار می کنند  زیرا گرما را بهتر انتقال می دهند .

در بعضی پیستون ها دامنه شیب دار است ( قطر پیستون در D بیشتر از C  است )

قطر پیستون در ناحیه سر از همه جا کمتر است . در نتیجه در بالای پیستون فضای بیشتری برای انبساط وجود دارد . بعضی پیستون ها از محور گژن پین تا پایین دامنه ، شیب دارند . در این نوع پیستون ، قطر در ناحیه پایین دامنه از همه جا بیشتر است .

خلاصی پیستون  :

خلاصی پیستون خودرو ( یا خلاصی دامنه پیستون ) عبارت است از فاصله بین جدار سیلندر و دامنه پیستون

پیستون خودرو طوری طراحی می شود که ،حتی اگر خیلی داغ شود ، باز هم به اندازه ای انبساط پیدا نکند که به سیلندر بچسپد .

این فاصله معمولا بین 0.025 تا 0.10 میلی متر ( 0.001  تا 0.004 اینچ ) است .

وقتی موتور روشن است پیستون و رینگ ها روی لایه ای از روغن  حرکت می کنند که این فاصله را پر کرده  است . اگر خلاصی پیستون خیلی کم باشد ، در نتیجه اصطکاک زیاد وسایش شدید ، توان موتور کاهش می یابد . در این حالت ممکن است پیستون به جداره سیلندر بچسپد و به اصطلاح گریپاژ کند . اگر خلاصی پیستون بیش از حد باشد سبب زدن پیستون در کورس قدرت می شود .

کنترل انبساط پیستون  :

پیستون های آلومینیومی در نتیجه افزایش دما بیشتر از سیلندر های چدنی منبسط می شوند و همین امر ممکن  است سبب از بین رفتن خلاصی پیستون شود . پیستون از جدار سیلندر بیشتر گرم می شود و همین امر سبب می شود که باز هم بیشتر انبساط یابد . اما اگر کف پیستون خیلی داغ شود ممکن است سبب خود سوزی شود در نتیجه ترتیب احتراق به هم می خورد و ممکن است موتور آسیب ببیند .

یکی از راه های کنترل انبساط پیستون افزایش آهنگ دفع گرما از کف پیستون است . هرچه کف پیستون ضخیم تر باشد .

گرمای بیشتری دفع می شود و پیستون خنک تر کار می کند . اما افزایش ضخامت کف پیستون سبب افزایش وزن آن می شود . همچنین اگر کف پیستون خیلی سرد کار کند ،لایه های مخلوط هوا سوخت مجاور آن نمی سوزد . مخلوط هوا-سوخت نسوخته از طریق اگزوز در محیط پخش می شود . در نتیجه بازده موتور کاهش و دود آن افزایش می یابد .

برای کمک کردن به کنترل پیستون بیشتر پیستون ها را طوری تراشکاری می کنند که اتاقک آن ها اندکی بیضوی شکل شود . وقتی پیستون اتاقک بیضوی سرد است ، شکل بیضوی دارد . وقتی این نوع پیستون گرم می شود دامنه پیستون انبساط می یابد و پیستون گرد می شود . وقتی پیستون های اتاقک بیضوی گرم می شوند شکل بیضوی خود را از دست می دهند و گرد می شوند .

پیستون های بیضی شکل که برای جلوگیری از چسپیدن پیستون به سیلندر( گریپاژ ) ساخته می شود با ابعاد خاصی طرح می گردد . به طوری که در  دیده می شود قطر پیستون که در محور تکیه گاه گژن پین قرار دارد به اندازه 0.006 اینچ یا 0.15 میلی متر از قطر دیگر کوچک تر است و قطر پیستون در روی محور 45 درجه ای نسبت به محور 0.003 اینچ یا 0.075 میلی متر کوچکتر از بزرگترین قطر پیستون است .

راه دیگر کنترل انبساط پیستون تعبیه یک پشت بند فولادی یا پیستون با تیغه محافظ اینوار ( INVAR ) در پیستون است . وقتی پیستون گرم می شود این تقویت کننده انبساط کف پیستون و برامدگی بوش گژن پین را محدود می کند .

فلز اینوار آلیاژ فولاد نیکل دار است که از 36 درصد نیکل ، 63.8 درصد آهن ، 0.2 درصد کربن تشکیل می شود . این آلیاژ در حرارت های زیاد دارای انبساط بسیار کمی است و لذا از انبساط پیستون آلومینیومی جلوگیری می کند .

شکل کف پیستون :

در بسیاری از موتور ها از پیستون  کف تخت استفاده می شود . اما شکل کف پیستون ممکن است مطابق با طرح موتور تغییر کند . شکل کف پیستون مطابق با شکل سر سیلندر و شکل محفظه احتراق نیز تغییر می کند .

بیشتر بخوانید:

پمپ هیدرولیک خودرو چیست و چگونه کار می کند؟

منبع: کارگیک