Por que os pinos do pistão são ocos?

Design e Ajuste dos Pinos do Pistão

Por que remover o centro de um pino de pistão? Um pino de aço sólido pode parecer mais resistente, mas um componente do motor não pode ser julgado apenas pela quantidade de material. O pino acelera, desacelera e muda de direção com o pistão, então sua massa também contribui para as cargas de inércia.

Uma seção oca aproveita uma propriedade geométrica: material mais distante do centro contribui mais para a rigidez da flexão. Remover parte do material central reduz a massa enquanto retém grande parte dessa rigidez. No entanto, aumentar o furo reduz a espessura da parede, tornando a deformação e a fadiga considerações importantes no projeto.

Isso também explica por que dois pinos de pistão com o mesmo diâmetro externo e comprimento não são automaticamente intercambiáveis. Geometria do diâmetro, material, tolerâncias dimensionais e o ajuste com o pistão e a biela afetam suas condições de trabalho.

Quanta rigidez à flexão é perdida quando o centro é removido?

Um modelo cilíndrico uniforme ajuda a explicar a geometria. Para diâmetro externo D e diâmetro interno d, a área da seção transversal A e o segundo momento da área I são:

Para o mesmo material e comprimento, a área da seção transversal determina a massa. O segundo momento de área é o parâmetro geométrico usado para calcular a rigidez à flexão. A área depende do diâmetro ao quadrado, enquanto I depende do diâmetro até a quarta potência. Remover material central, portanto, não reduz a massa e a rigidez à flexão na mesma proporção.

Por exemplo, suponha que o diâmetro interno seja 50% do diâmetro externo, com o mesmo diâmetro, comprimento e material externo de um cilindro sólido. A redução de massa calculada é de 25%, enquanto I diminui 6,25%. Com o mesmo módulo elástico E, a rigidez de flexão EI também diminui 6,25%.

Por que não fazer o diâmetro o maior possível?

Durante a operação, a pequena extremidade da biela aplica carga ao redor do meio do pino, enquanto os avanços dos pinos do pistão o sustentam em ambos os lados. O pino se curva ao longo de seu comprimento, e as cargas locais de contato também podem deformar sua seção circular em forma oval. A espessura da parede afeta ambas as formas de deformação.

A análise de falha pistão-pino considera geometria, flexão, ovalização, pressão de contato e folga inicial juntos. [2] O segundo momento de área sozinho não pode determinar um diâmetro adequado do diâmetro do diâmetro do diâmetro para um pino específico.

Uma parede mais fina pode reduzir ainda mais a massa, mas também pode aumentar a deformação e alterar a distribuição de pressão entre o pino, os silêncios do pistão e a pequena extremidade da biela. A espessura da parede deve se adequar às cargas do motor e aos componentes acoplados.

O furo não é necessariamente reto e de diâmetro constante. A ISO 18669-1 inclui projetos cilíndricos, com reforço central e com diâmetro afilado. [1] Perfis diferentes alteram a distribuição da espessura da parede ao longo do pino, mas sua adequação ainda depende das posições de suporte, condições de operação e requisitos de fabricação.

Por que a massa do pino do pistão importa?

O pino do pistão faz parte do conjunto recíproco. Na mesma aceleração, a força de inércia é proporcional à massa: F = ma. Reduzir a massa do pino reduz a carga de inércia associada transmitida pela biela sob as mesmas condições de movimento.

No Documento Técnico SAE 2015-01-0523, engenheiros da MAHLE relatam que os pinos dos pistões podem representar aproximadamente 10–30% da massa recíproca, dependendo da aplicação do motor. Seu design composto combina uma manga de aço com um núcleo de alumínio, com reduções de peso relatadas de até aproximadamente 20% para motores a gasolina e 30% para motores diesel de carros de passageiros. [3]

Esta pesquisa demonstra o interesse de engenharia em pinos de pistão mais leves. No entanto, o pino composto é um design diferente de um pino de aço oco convencional. Suas reduções de peso relatadas não devem ser aplicadas diretamente ao exemplo de seção oca acima.

Pinos de pistão são comumente fabricados em aço. [6] Um projeto oco equilibra massa recíproca com os requisitos de carga. O grau específico de material e os requisitos de tratamento térmico devem ser retirados da especificação técnica do produto relevante.

O material do pistão e o material do pino do pistão são especificações diferentes

O POWCODE especifica liga de alumínio AC8A para os pistões mostrados em suaPlataforma de peças de motor DV6 8V. AC8A refere-se ao corpo do pistão, não ao pino do pistão. A qualidade do aço do pino pistão e o tratamento térmico devem ser confirmados separadamente da especificação para o pino fornecido; eles não podem ser inferidos a partir da liga do pistão.

As mesmas dimensões externas não garantem o mesmo ajuste

Catálogos de produtos geralmente listam o diâmetro e o comprimento do pino pistão. Essas dimensões ajudam a identificar um componente, mas não definem sua especificação de engenharia completa. O perfil do diâmetro, espessura da parede, massa real, material, tratamento térmico e tolerâncias dimensionais também precisam ser verificados.

Para uma interface de ajuste de folga, a folga diametral é igual ao diâmetro real do diâmetro menos o diâmetro real do pino. Quando o pino e o diâmetro são concêntricos, a folga radial de cada lado é metade da folga diametral. Esta é uma relação de cálculo, não uma especificação de folga aceitável para qualquer motor.

Um diâmetro maior do pino ou um diâmetro menor reduzem a folga; o oposto a aumenta. Erros de temperatura de medição, posição de medição e forma também afetam a avaliação. Os métodos de retenção diferem entre motores e interfaces, portanto um único valor de folga não pode ser aplicado universalmente.

Durante o desenvolvimento dos componentes do motor, a POWCODE adquiriu conjuntos de pistão e amostras relacionadas de diferentes fontes para comparação física. Essa experiência chamou nossa atenção para especificações de materiais e requisitos de ajuste além das dimensões do catálogo. Comparações de amostras ajudam a identificar questões para investigação posterior, mas não substituem testes de materiais, estatísticas de lotes de produção ou validação de durabilidade do motor.

O que um pino de pistão DV6 de 26 × 61 mm nos diz?

O catálogo de motorização da Federal-Mogul lista o pistão de aplicação DV6C 87-72772-STD com diâmetro de cilindro de 75 mm, altura de compressão de 41,750 mm, diâmetro da tigela de combustão de 45,000 mm e pino de pistão de 26 × 61 mm. O pistão de aplicação anterior do DV6 87-71783-STD também apresenta um pino de 26 × 61 mm. [4–5]

A correspondência do diâmetro e comprimento nominais do pino não estabelece geometria do diâmetro do diâmetro e comprimento do pino correspondentes, massa, tratamento térmico ou tolerâncias de fabricação. As dimensões de 26 × 61 mm são uma pista de identificação, não evidência suficiente para a intercambiabilidade entre versões do motor. Os números específicos das peças e as informações da aplicação também devem ser verificados.

O que mais deve ser verificado ao selecionar um pino de pistão?

A geometria oca explica como um pino pode economizar peso, mas a seleção deve retornar ao componente específico. Diâmetro externo e comprimento são o ponto de partida. Tolerâncias, geometria do diâmetro, material, tratamento térmico e requisitos de ajuste do lado do pistão e do lado da biela precisam de especificações de suporte.

Ao comparar dois pinos de mesmas dimensões externas, o peso ou a espessura da parede sozinhos não determinam qual é adequado. Confirme suas aplicações pretendidas e os arranjos de encaixe antes de avaliar se há evidências para substituição.