UNIVERZITET U TUZLI MAŠINSKI FAKULTET Energetsko mašinstvo Predmet: MOTORI SUS

SEMESTRALNI RAD Klipni prstenovi

Adis Efendić I-281/09

1.UVOD

Klipni prstenovi pronađeni su od strane John Ramsbotton-a koji je svoj rad objavio na institutu za mašinski inžinjering 1854 godin.

Prvi prstenovi su korišteni kod parnih mašina , i uloga im je bila da spjeće curenje pare. Klipni prstenovi  su elastični prstenovi koji se nalaze na žljebovima klipa. Spriječavaju izlaženje plinova iz prostora iznad klipa u kučište koljenastog vratila . Upotrebom klipnih prstenova smanjilo se trenje , zaptivanje se postiže sa vise prstenova , svaki od njih ima svoju vlastitu funkciju .

Važno je da prstenovi slobodno hodaju u svom utoru u klipu , tako da oni mogu ostati u dodiru sa cilindrom . Klipni prstenovi izloženi su velikom tošenju te su posebno obrađeni kako bi im se povećala otpornost . U pravilu su napravljeni od čelika , a radi veče izdržljivosti mogu biti oslojeni kromom , posebnim keramičkim materijalom itd.

Ovi prstenovi (tzv. “karike”) glavni su razlog zašto stari i istošeni motori dime . Naime , vjerovatno ste više puta čuli da je motor nekog automobile istrošen jer mu iz auspuha izlazi plavičasti dim . Radi se upravo o istrošenim klipnim prstenovima koji (prvenstveno uljni) propusštaju male količine ulja u proctor za izgaranje . Takva je pojava štetna , smanjuje snagu motora i uništava katalizator , a dugim zanemarivanjem može se dovesti i do potpunog uništenja klipnih prstenova , optećenja kopuljice cilindra i sl.

2.KLIPNI PRSTENOVI

2.1.Funkcija klipnih prstenova

Zadaci klipnih prstenova (karika) klipa su :

- brtvljenje plinova od kompresionog prostora cilinda prema karteru ;- odvođenje topline s klipa na cilindarsku košuljicu ; - brtvljenje ulja za podmazivanje na prolazu od kartera prema vrhu

cilindra .

Da bi se ispunili ti zadaci , klipni prstenovi naliježu po obodu na stijenke cilindra a s drugom drugom su stranom u utoru klipa (slika 1) . Radijalno nalijeganje ostvaruje se elastičnom silom prstena Fe , koji u slobodnom stanju ima veći promjer , a pomognuto je pritiskom plinova p . Bočno nalijeganje ovisi o pritisku plinova p , silama inercije prstena , te trenju između prstena i cilindra. Te sile promjenjive su po smjeru I veličini , pa prsten stalno treperi za vrijeme rada između gornje i donje strane utora .

Slika 1. Nalijeganje klipnih prstenova na stjenke cilindra

Prema osnovnom zadatku klipni prstenovi se djele na :

- kompresijske , kojima je glavni zadatak brtvljenje plinova , pa su smješteni na gornjem djelu klipa ;

- uljne ( strugači ) , kojima je zadatak spriječiti pretjerani protok ulja za podmazivanje iz kućišta motora u kompresijki proctor , oni su smješteni na donjem djelu plašta klipa .

Da bi efekat brtvljenja plinova bio sto bolji , na klip je smjesteno redovito vise prstenova . Na slici 2. Prikazan je pad pritiska plinova po visini klipa u postocima , što je posljedica labirintnog efekta brtvljenja prstenova . Na temelju diagram moguće je ocjeniti značaj broja prstenova koji se ugrađuje na klip . Prikazani tok pritiska uzrokuje prolaz jedne manje količine plinova iz cilindra u karter . Ta količina plinova ovisi uglavnom o stanju površine cilindra I prstenova , odnosno o iskorištenosti tog sklopa . Za efekt brtvljenja plinova važno je također tanki sloj ulja za podmazivanje što se nalazi u međuprostoru između klipa i cilindra .

Slika 2. Pad pritiska plinova po visini klipa

Takođe postoji mogućnost izvjesne količine ulja za podmazivanje iz kartera u cilindar motora , što je uglavnom posljedica alternativnog pomicanja prstena u utoru klipa ( slika 3. ) , ali i drugi faktori , kao npr. lošeg stanja površine karika I cilindra ili loma prstena . U području gornjeg prstena , gdje je temperature najviša , postoji mogućnost koksiranja ulja za podmazivanje i zaglavljivanja

prstena , pa se stoga kod opterećenih motora primjenjuju posebne mjere (upotreba kvalitetnog ulja , prstena sa specijalnim profilom , povecan zazor itd.) .

Slika 3. Pomicanje klipnih prstenova u utoru klipa

2.2. Proračun klipnih prstenova

Na ( slici 4.) uvedene su slijedeće oznake za dimenzije prstenova :

D – vanjski promjer prstena u ugrađenom stanju , koji je jednak promjeru cilindra;

a – radijalna debljina prstena ;

h – aksijalna visina prstena ;

r – D/2 – vanjski promjer prstena ;

r0 – ( D - a )/2 – srednji polumjer prstena .

Da bi se ostvarilo elastično nalijeganje prstena na cilindru , on je na jednom mjestu razrezan i u slobodnom stanju ima veći promjer . Za ispravno funkcionisanje važno je da prsten u potpunosti naliježe na površinu cilindra .

Takođe je poželjno da pritisak nalijeganja prstena na površinu cilindra po čitavom obodu bude sto jednoličniji , uz izvjesne korekcije , što će biti objašnjeno.

Slika 4. Oznake za dimenzije prstenova

Stvarna podjela pritisaka nalijeganja prstena na stijenku cilindra za četverotaktne motore prikazana je na slici 5. Povećani pritisak nalijeganja u blizini razreza omogućuje sigurnije nalijeganje prstena u tom području i smanjuje njegovo treperenje u utoru . Prstenovi dvotaktnih motora se osiguravaju od zakretanja u utoru , kako prorez na prstenu ne bi prelazio preko kanala za ispiranje cilindra .

Ukoliko je odnos širine kanala i opsega cilindra velik , te postoji mogućnost prijelaza razreza prstena preko kanala za ispiranje , potrebno je osigurati smanjenje jediničnog pritiska nalijeganja prstena na cilindar u području rascjepa , kako je to prikazano na slici 5 b.

U tom slučaju nije potrebno ni osiguranje prstena od zakretanja .

Slika 5. Stvarna raspodjela pritiska nalijeganja prstena na stijenku cilindra

Slika 6. Prosječni pritisak nalijeganja prstena

Prema oznakama na slici 6. prosječni pritisak nalijeganja prstena na stijenke cilindra iznosit će u općem slučaju :

p= 12π

∫0

2π

p (φ ) ∙dφ

Vrijednost prosječnog pritiska nalijeganja prstena na površinu cilindra iznosi :

- za visoko opterećene motore p=0,1do0,15 [Mpa ] 1,0do1,5 [kp /cm2 ]

- za traktorske motore p=0,1do0,25 [Mpa ] 1,0do2,5 [kp /cm2 ]

Ako se predpostavi računska konstantna vrijednost pritiska p , po čitavom obodu , onda će maksimalni moment savijanja u presjeku za Msmax iznositi :

M s=∫0

π

p ∙h ∙r ∙ r0 (1+cosφ ) ∙ sinφ ∙dφ=¿

¿2 r ∙ h ∙ p ∙ r0=D∙h ∙ p ∙D−a

2

Moment otpora presjeka iznosi :

W=h∙a2

6

pa je naprezanje na savijanje :

σ s=M s

W=D ∙h ∙ p ∙ (D−a ) ∙6

2 ∙ h∙ a2 =3 p ∙Da∙(Da −1)

Slika 7. Djelovanje tangencijalne sile

Tangencijalna sila (Ft) , koja je prema slici 7. potrebna da dovede prsten iz slobodnog položaja u položaj u cilindru , iznosi :

F t=MD−a

=D ∙h ∙ p2

Ta je sila pogodna za primjenu pri ispitivanju elastičnosti prstena , jer se veoma lahko mjeri za razliku od pritiska nalijeganja prstena po obodu . Prije ugradnje u cilindar razmak između razrezanih krajeva prstena ima veličinu m ( slika 8. ) i ona mora osigurati elastičnu silu nalijeganja prstena .

Slika 8. Razmak imeđu krajeva prstena

Veličina rascjepa prstena iznosi :

m= 9 π4 E

∙(Da −1)3

∙F th ∙ E

ili relativna veličina rascjepa :

mD

= 9π4 E∙(Da −1)

3

∙ p

Modul elastičnosti za sivi liv iznosi :

E=100000 do 120000 [Mpa ] 106do1,2∙106 [kp /cm2 ]

Sa tim rascjepom dobija se vrijednost normalnog naprezanja prstena , kada je on montiran u cilindar :

σ s=Ft ∙ (D−a ) ∙6

h ∙a2 =3 p ∙Da∙(Da −1)=4 E

3 π∙ma∙( aD−a )

2

Največe naprezanje u prstenu javlja se pri njegovom navlačenju na klip , kada unutrašnji promjer prstena mora biti jednak najmanjem promjeru klipa , a razrez se povećava na veličinu ≫0≪ . Naprezanje tada iznosi :

σ s=8 Eπ∙( aD−a )

2

− 6π∙Da∙(D−a

a )∙ p−4 ∙ π ∙ E ∙( aD−a )

2

∙aD

Dozvoljeno normalno naprezanje prstena od sivog liva iznosi :

σ sdoz .=300do 450 [Mpa ] 30do 45 [kp /mm2 ]

Nakon dužeg rada pritisak nalijeganja se smanjuje naročito u području gdje je prsten razrezan . To smanjenje je veće u onih prstenova kod kojih je napon dobiven termičkom obradom . Iz tog razloga prstenovi se redovito izrađuju tokarenjem na željeni oblik .

2.3. Izvedbe klipnih prstenova

Razni oblici prstenova koji su standardizovani sa DIN 24909 prikazani su na sl. 9.

Kompresijski prsten , jednostavnog pravokutonog presjeka (slika 9. a i b) najčešće se upotrebljava i ispunjava sve funkcije pri normalnim uvjetima rada . Taj prsten propisan je takođe sa JUS M.N3.003 , oblik A . zakošeni prsten (slika 9. c i d ) ima znatno manje vrijednosti uhodavanja . U početku je pritisak nalijeganja prstena na cilindar vrlo velik zbog male površine nalijeganja, ali pritisak plinova djeluje također na konični dio , pa djelimočno rasterećuje prsten . Zakošeni prsten propisan je također sa JUS M.N3.003 , oblik B .

Trapezni prsten sa jednim unutrašnjim zakošenjem ( slika 9. e ) ima nesimetrični presjek , pa ugradnjom prima tanjurasti oblik , te djeluje kao i zakošeni prsten. Trapezni prsten s dvostrukim unutrašnjim zakošenjem prikazan je na (slici 9. f )

Pomicanje trapeznih prstenova u radijalnom smjeru povećava se bočni zazor , pa se primjenjuje kada postoji mogućnost zaglavljivanja prstena u utoru .

Uljni prsten u utoru ( slika 9. h , i , i j ) odlikuje se povećanim pritiskom nalijeganja koji nastaje samanjenjem površine nalijeganja , te brisanjem ulja u dvije razine . Redoslijedom kako su ti prstenovi nacrtani na slici povećava se I njihova sposobnost brisanja , struganja ulja , što se postiže pogodnim zakošenjem . U utoru postoje prorezi u prstenu , koji omogućuju brzo odvođenje ulja za podmazivanje prema unutrašnjosti ( slika 10.) Ova vrsta prstena propisana je sa JUS M.N3.004.

Slika 9. Izvedbe klipnih prstenova

Kombinirano djelovanje kompresijskog i uljnog prstena ima prsten prikazn na slici 9. g. Da bi se osigurala pravilna ugradnja i izbjeglo obrnuto djelovanje , na gornjoj strani prstenova , koji se nalaze na slici 9. pod c ,d , e , g i j , obavezno

mora biti utisnuta odgovarajuća oznaka . Danas je razvijen čitav niz prstenova s ciljem postizanja boljeg zaptivanja i smanjenja potrošnje ulja za podmazivanje . Takvi višedjelni prstenovi prikazani na slici 11. imaju mali presjek , a dobro nalijeganje na provršinu cilindra postiže se ugradnjom dodatne opruge . Izvedbom prstenova iz čelika postiže se također i njihovo manje trošenje .

Slika 10. Klipni prsten za brzo odvođenje ulja ka unutrašnjosti

Slika 11. Višedjelni prstenovi

Prorez prstena može biti izveden okomiti ili koso , kao sto je prikazano na slici 12. Na mjestu proreza prsten se brtvi , pa zazor Δ mora biti što manji .

Kosi prorez rezultira manjim presjekom prestrujavanja , pa je uz isiti zazor povoljniji . Takva izvedba ipak se rijeđe upotrebljava ubog složenije izrade .

Slika 12. Izvedba proreza prstena

2.4. Kvarovi na prstenovima

Na trošenje prstenova ima veliki uticaj :

- efikasnost podmazivanja ; - materijal prstena i cilindra ;- korozija prstena ; - prisustvo prašine ;- kvaliteta površine prstena i cilindra .

Da se smanji trošenje prstena potrebno je osigurati dobro uhodavanje prstena u cilindru (npr. fosfatiranje površine ) , te efikasno prečišćavanje zraka i ulja za podmazivanje . Od naročitog je značaja izbor materijala prstena i cilindra . Uobičajni klizni par je sivi liv – sivi liv . Par materijala čelik – sivi liv je manje otporan na tošenje , pa je u tom slučaju nalegla površina prstena , izrađena od čelika , prema cilindru kromirana . Pri visokim temperaturama u zoni karika postoji mogućnost koksiranja ulja za podmazivanje , pa se prstenovi mogu zaglaviti u utoru tako da ne naliježu na površinu cilindra . U tom slučaju plinovi iz cilindra prodiru kraj prstena i još više ga zagrijavaju . Posljedica je naglo trošenje prstena ili negov lom . Zbog toga je vrlo važno da se područje oko prstena intenzivno hladi , a visina klipa iznad prstena mora biti dovoljno velika . Upotreba trapeznih prstenova , kao I izbor kvalitetnog ulja za podmazivanje mogu biti od koristi . Do loma prstena može doći iz raznih razloga , kao npr. zaglavljivanje prstena u utoru, malog zazora na prolazu , lošeg dosjeda prstena u utoru , lošeg podmazivanje , naglog porasta pritiska plinova u cilindru , greške u materijalu i neravnih boćnih ploha prstena , odnosno utora u kipu .

Neugodna je pojava i treperenje prstena u utoru klipa koje uzrokuju pritisci plinova , sile trenja i inercije . Treperenje prstena se znatno smanjuje , ako je pritisak nalijeganja prstena veći u području proreza .

2.5. Materijal prstenova

Osnovni materijali za izradu prstena je sivi liv sa prerlitnom ili prelitno – sorbitnom strukturom . Tvrdoća materijala mora se kretati u određenim granicama koje su za uobičajne materijale sledeče :

sivi liv – normalni 210 do 282 HB

sivi liv – poboljšani 200 do 250 HB

nodularni liv – normalni 265 do 355 HB

nodularni liv – poboljšani 266 do 385 HB

čelik – perlitski 195 do 250 HB

čelik – poboljšani 360 do 418 HB

Prstenovi se uglavnom izrađuju tokarenjem na vanjskom ili unutrašnjem promjeru . Do najvećeg trošenja dolazi na prvom prstenu , i to u trenutku kada se klip nalazi u blizini GMT. U tom trenutku podmazivanje je slabo, povećani tlak plinova znatno utiče na veći pritisak nalijeganja prstena na cilindar (slika 1.) , a uticaj povišene temperature u tom slučaju najveći . Smanjenje trošenja cilindra ( za 50 % ) i prstena ( za 30 % ) postiže se često tvrdim kromiranjem klizne plohe prstena . Debljina sloja kroma iznosi 0,08 mm , a klizna površina se honuje .

U prstenova koji nisu kromirani , smanjenje vremena uhodavanja postiže se fosfatiranjem ili feroksiranjem. Kristali fosfata se brzom troše i površina prstena se brzom prilagođava površini cilindra . U slučaju kada je prsten feroksiran, kristali tvrdog željeza oksida Fe3O4 se lagano odvajaju od prstena i djeluju kao brusni prašak, što pospješuje process uhodavanja .

2.6. Dimenzije i tolerancije klipnih prstenova

Dimenzije prstenova propisane su sa prije navedenim standardima .

Aksijalni i radijalni zazori između prstenova i utora na klipu preporučeni su u tablici 1 i 2 – za standardne automobilske motore .

Visina prstena prema standardu izrađuje se s tolerancijom

h−0,022−0,010

Tabela 1. Aksijalni zazor

Vrsta prstenova Četverotaktni motor Dvotaktni motoroto dizel oto dizel

Kompresijskiprsten

gornji 0,05÷0,08 0,08÷0,10 0,09÷0,12 0,10÷0,12donji 0,03÷0,06 0,06 0,05÷0,08 0,08

Uljni prsten 0,06 0,06 - 0,06

Tabela 2. Radijalni zazor

Vrsta prstenova Četverotaktni motor Dvotaktni motoroto dizel oto dizel

Kompresijski prsten 1,1 1,0 ÷ 1,4 0,8 1,0Uljni prsten 1,4 1,6 ÷ 1,8 1,6 ÷ 1,8

Visina utora u klipu izrađuje se tako da aksijalni zazor prstena ima vrijednost prema tablici 1. Na slici 13. prikazana je izvedba prstena s najvažnijim mjerama . Klizne površine prstena , prema cilindru , fino se tokare . Kvaliteta obrade bočnih ploha klipnih prstenova mora biti takva da maksimalni iznos neravnine ne prelazi: Rmax=3 do 4 [µm ] . Odstupanje od ravnoće bočnih ploha ne smije preći 40% od tolerancije za visinu prstena .

Rascjep prstena u zagrijanom stanju iznosi najmanje

∆ z=(0,0005 do0,001) ∙D

Čime se sprečava zaglavljivanje prstena u cilindru . S obzirom na toplinsko širenje zbog porasta temperature prvog prstena od približno ∆ t k=240 [K ] i porasta temperature cilindra od ∆ t c=90 [K ] , zazor ugrađenog prstena u hladnom stanjumora iznositi najmanje :

∆h=0,005 ∙ D

Tolerancija za tangencijalnu silu iznosi F t−10 % .+20 %

Slika 13. Izvedba prstena sa najvažnijim mjerama