Perché i perni del pistone sono cavi?

Progettazione e Adattamento dei perni del pistone

Perché rimuovere il centro di un perno del pistone? Un perno d'acciaio solido può sembrare più resistente, ma un componente del motore non può essere giudicato solo dalla quantità di materiale. Il perno accelera, decelera e cambia direzione con il pistone, quindi la sua massa contribuisce anche ai carichi d'inerzia.

Una sezione cava sfrutta una proprietà geometrica: il materiale più lontano dal centro contribuisce maggiormente alla rigidità della flessione. La rimozione di parte del materiale centrale riduce la massa mantenendo gran parte di quella rigidità. Tuttavia, aumentare il foro riduce lo spessore della parete, rendendo la deformazione e la fatica considerazioni importanti per il progetto.

Questo spiega anche perché due perni del pistone con lo stesso diametro esterno e lunghezza non sono automaticamente intercambiabili. La geometria dell'alesaggio, il materiale, le tolleranze dimensionali e l'adattamento con pistone e biella influenzano tutte le loro condizioni di lavoro.

Quanta rigidità da flessione si perde quando il centro viene rimosso?

Un modello cilindrico uniforme aiuta a spiegare la geometria. Per il diametro esterno D e il diametro interno d, l'area della sezione trasversale A e il secondo momento dell'area I sono:

Per lo stesso materiale e lunghezza, l'area della sezione trasversale determina la massa. Il secondo momento di area è il parametro geometrico usato per calcolare la rigidità alla flessione. L'area dipende dal diametro al quadrato, mentre I dipende dal diametro alla quarta potenza. Rimuovere quindi il materiale centrale non riduce la massa e la rigidità alla flessione nella stessa proporzione.

Ad esempio, supponiamo che il diametro interno sia il 50% di quello esterno, con lo stesso diametro, lunghezza e materiale esterno di un cilindro solido. La riduzione di massa calcolata è del 25%, mentre I diminuisce del 6,25%. Con lo stesso modulo elastico E, la rigidità in flessione EI diminuisce anch'essa del 6,25%.

Perché non rendere il foro il più grande possibile?

Durante il funzionamento, la piccola estremità della biella applica carico attorno al centro del perno, mentre i supporti dei perni del pistone lo sostengono ai lati. Il perno si piega lungo la sua lunghezza e i carichi di contatto locali possono anche deformare la sua sezione circolare in un ovale. Lo spessore della parete influisce su entrambe le forme di deformazione.

L'analisi del guasto pistone-perno considera geometria, flessione, ovalizzazione, pressione di contatto e gioco iniziale insieme. [2] Il secondo momento di area da solo non può determinare un diametro adatto del diametro del cilindro per un particolare perno.

Una parete più sottile può ridurre ulteriormente la massa, ma può anche aumentare la deformazione e alterare la distribuzione della pressione tra il perno, i supporti dei pistoni e la piccola estremità della biella. Lo spessore della parete deve adattarsi ai carichi del motore e ai componenti di accoppiamento.

Il foro non è necessariamente dritto e a diametro costante. ISO 18669-1 include progetti cilindrici, rinforzati al centro e con foratura conica. [1] Profili diversi modificano la distribuzione dello spessore della parete lungo il perno, ma la loro idoneità dipende comunque dalle posizioni di supporto, dalle condizioni operative e dalle esigenze di produzione.

Perché la massa del perno del pistone è importante?

Il perno del pistone fa parte dell'insieme reciprocante. Alla stessa accelerazione, la forza d'inerzia è proporzionale alla massa: F = ma. Ridurre la massa del perno riduce il carico d'inerzia associato trasmesso attraverso la biella nelle stesse condizioni di movimento.

Nel documento tecnico SAE 2015-01-0523, gli ingegneri MAHLE riportano che i perni dei pistoni possono rappresentare circa il 10–30% della massa alternativa, a seconda dell'applicazione del motore. Il loro design composito combina una manica in acciaio con un nucleo in alluminio, con riduzioni di peso riportate fino a circa il 20% per i motori a benzina e il 30% per i motori diesel per auto passeggeri. [3]

Questa ricerca dimostra l'interesse ingegneristico per i perni del pistone più leggeri. Tuttavia, il perno composito è un design diverso da un perno convenzionale in acciaio cavo. Le riduzioni di peso riportate non devono essere applicate direttamente all'esempio della sezione cava sopra.

I perni del pistone sono comunemente prodotti in acciaio. [6] Un design cavo bilancia la massa alternata con i requisiti di carico. La specifica qualità del materiale e i requisiti di trattamento termico devono essere prese dalla specifica tecnica del prodotto rilevante.

Il materiale del pistone e quello del pistone sono specifiche diverse

POWCODE specifica la lega di alluminio AC8A per i pistoni mostrati sul suoPiattaforma di riparti motore DV6 8V. AC8A si riferisce al corpo del pistone, non al perno. Il grado in acciaio per perno pistone e il trattamento termico devono essere confermati separatamente dalla specifica per il perno fornito; non possono essere dedotti dalla lega del pistone.

Le stesse dimensioni esterne non garantiscono la stessa vestibilità

I cataloghi di prodotto di solito riportano diametro e lunghezza del perno pistone. Queste dimensioni aiutano a identificare un componente, ma non ne definiscono la specifica ingegneristica completa. Devono inoltre essere verificati il profilo dell'alesaggio, lo spessore della parete, la massa effettiva, il materiale, il trattamento termico e le tolleranze dimensionali.

Per un'interfaccia di adattamento a spazio, l'altezza diametrale è uguale al diametro reale del canone meno il diametro effettivo del perno. Quando perno e alesaggio sono concentrici, il gioco radiale su ciascun lato è metà dell'altezza diametrale. Questa è una relazione di calcolo, non una specifica di altezza accettabile per nessun motore.

Un diametro del perno maggiore o un alesaggio più piccolo riducono l'altezza da gioco; l'opposto la aumenta. Anche la temperatura di misura, la posizione di misurazione e gli errori di forma influenzano la valutazione. I metodi di ritenzione differiscono tra motori e interfacce, quindi un singolo valore di altezza non può essere applicato universalmente.

Durante lo sviluppo dei componenti motore, POWCODE ha acquistato assemblaggi pistoni e campioni correlati da diverse fonti per il confronto fisico. Questa esperienza ha attirato la nostra attenzione sulle specifiche dei materiali e sui requisiti di adattamento oltre le dimensioni del catalogo. I confronti di campioni aiutano a identificare domande da approfondire, ma non sostituiscono i test dei materiali, le statistiche dei lotti di produzione o la validazione della durata del motore.

Cosa ci dice un perno del pistone DV6 da 26 × 61 mm?

Il catalogo Federal-Mogul Powertrain elenca il pistone d'applicazione DV6C 87-72772-STD con alesaggio cilindro da 75 mm, altezza di compressione di 41,750 mm, diametro della conca di combustione di 45,000 mm e perno pistone da 26 × 61 mm. Anche il precedente pistone d'applicazione DV6 87-71783-STD indica un perno da 26 × 61 mm. [4–5]

Una corrispondenza del diametro e della lunghezza nominale dei perni non stabilisce la geometria del diametro del cilindro, la massa, il trattamento termico o le tolleranze di fabbricazione. Le dimensioni da 26 × 61 mm sono un indizio identificativo, non sufficiente per l'intercambiabilità tra le versioni del motore. Devono essere verificati anche i numeri di ricambio specifici e le informazioni applicative.

Cos'altro bisogna controllare quando si sceglie un perno del pistone?

La geometria cava spiega come un perno possa risparmiare peso, ma la selezione deve tornare al componente specifico. Il diametro esterno e la lunghezza sono il punto di partenza. Tolleranze, geometria dell'alesaggio, materiale, trattamento termico e requisiti di adattamento lato pistone e biella richiedono tutte specifiche di supporto.

Quando si confrontano due perni di dimensioni esterne uguali, il peso o lo spessore della parete da soli non determinano quale sia adatto. Confermare le loro applicazioni previste e le disposizioni di adattamento prima di valutare se ci sono prove di sostituzione.