پیستون

پیستون بخشی از سیستم موتورهای رفت و برگشتی، پمپ های رفت و برگشتی، کمپرسورهای گاز و سیلندرهای پنوماتیک و دیگر مکانیزم های مشابه است. این یک قطعه متحرک در درون سیلندر است که توسط رینگ هایی از نشت گاز از اطراف خود جلوگیری می-کند. در یک موتور، هدف آن انتقال نیرو از گاز در حال انبساط در سیلندر به میل لنگ با استفاده از میل شاتون یا میل پیستون می باشد. در یک پمپ، عملکرد برعکسی داشته و نیرو را از میل لنگ به سیال درون سیلندر منتقل کرده و آن را متراکم یا به حرکت وامی دارد. در بعضی از موتورها خود پیستون به وسیله پوشاندن مسیر دریچه های ورودی و خروجی به مانند یک شیر عمل می کند.

بیشتر بخوانید: موتور پیستونی

پیستون در موتورهای احتراق داخلی

یک موتور احتراق داخلی با استفاده از فشار گازهای در حال انبساط حاصل از احتراق در محفظه احتراق در فضای بالای سیلندر کار می کند. این نیرو سپس از طریق میل شاتون به میل لنگ منتقل می شود. میل شاتون به وسیله یک گژنپین (معروف به پین مچی در ایالات متحده) به پیستون متصل شده است. این پین در داخل پیستون نصب شده است و برخلاف ماشین های بخار در این جا میل پیستون یا کراس هد (CrossHead) به پیستون وجود ندارد (به جز بعضی مدل ها در موتورهای 2 زمانه بزرگ).

انیمیشن یک سیستم پیستونی

طراحی مرسوم پیستون ها در شکل نشان داده شده است. این نوع پیستون به صورت گسترده در موتورهای دیزل استفاده می شود. با توجه به نوع موتور، سطوح پرخورانی (سوپرشارژ) و شرایط کاری موتور شکل و خصوصیات آن می تواند تغییراتی داشته باشد.

موتورهای دیزلی با قدرت بالا در شرایط سختی کار می کنند. فشار بیشینه در محفظه احتراق می تواند گاهی به MPa20 برسد و دمای بعضی سطوح در پیستون به 450 درجه سانتیگراد می رسد. می توان به وسیله ایجاد خلل و فرج به خنک کاری بیشتر پیستون کمک کرد. یک انژکتور از طریق این سوراخ های مخصوص روغن را طریق کانال هایی به پیستون می رساند. به منظور کاهش دمای بهتر باید در ساخت پیستون دقت کافی وجود داشته باشد و محاسبات و تحلیل های مورد نیاز انجام شده باشد. جریان روغن در سوراخ های مخصوص خنک کاری نباید کمتر از 80% جریان خروجی روغن از انژکتور آن باشد.

پیستون در موتور احتراق داخلی، نمای برش خورده برای نشان دادن گژنپین (پین انگشتی یا Gudgeon Pin)

خود پین از جنس آهن سخت کاری شده ساخته شده و در درون پیستون ثابت شده است اما در قسمت میل شاتون می تواند به راحتی حرکت کند. تعداد اندکی از طراحی ها از سیستم شناور استفاده می کنند که در این حالت پین در هر دو قسمت می تواند حرکت کند. در تمامی پین ها باید از حرکت به اطراف و برخورد کناره های پین به دیواره سیلندر جلوگیری شود و این امر را معمولأ با استفاده از گیره های دایره ای (خار رینگی) انجام می دهند.

آب بندی در موتور به وسیله استفاده از رینگ صورت می پذیرد. این قطعات تعدادی رینگ آهنی باریک هستند که در درون شیار های بدنه پیستون دقیقأ زیر قسمت تاج آن جانمایی شده اند. این رینگ ها در مقطعی از محیط خود بریده شده اند و به این وسیله می توانند با فشار فنری خود به دیواره سیلندر فشرده شوند. دو نوع رینگ در موتور استفاده می شود: رینگ های بالایی سطوح مستحکمی داشته و باعث آب بندی سیلندر می شوند؛ رینگ های پایینی لبه های باریکی داشته و U شکل هستند و برای جاروب کردن روغن استفاده می شوند. در مورد رینگ ها مطالب بسیار زیادی درباره نحوه طراحی و نحوه عملکرد وجود دارد.

پیستون ها به روش ریخته گری از آلیاژهای آلومینیوم ساخته می شوند. به منظور حصول طول عمر و مقاومت در برابر خستگی بیشتر بعضی از پیستون های ماشین های مسابقه ای را به شیوه آهنگری (فورج) می سازند. از پیستون های پروانه ای نیز در موتورهای ماشین های مسابقه ای به دلیل عدم وابستگی آن ها به ابعاد و ساختار فورج موجود، استفاده می شود و به طراحان اجازه دستکاری در طراحی پیستون را در لحظات آخر می دهد. اگرچه که این امر خیلی با چشم غیرمسلح معلوم نیست اما پیستون ها مقداری بیضوی ساخته می شوند و کاملآ دایروی نیستند و قطر آن ها در قسمت پایین از قطر آن ها در قسمت تاج پیستون بیشتر است.

پیستون های اولیه از جنس چدن بودند، اما واضح است که هرچه پیستون از آلیاژهای سبک-تری ساخته شده باشد، موتور تعادل و بالانس بهتری خواهد داشت. برای ساخت پیستون های که تحمل دمای بسیار بالای درون موتور را داشته باشند نیاز بود که از آلیاژهای جدیدی مانند آلیاژهای Y و هیدومینیوم (Hiduminium) مخصوص ساخت پیستون استفاده شود.

تعدادی از موتورهای گازی قدیمی از سیلندرهای دوعملگره ای (Double-Acting)  استفاده می کردند اما امروزه تقریبأ تمامی موتورهای احتراق داخلی با راندمان بالا از پیستون های تک عملگر استفاده می کنند. در طی جنگ جهانی دوم، زیردریایی پمپانو (Pompano) ایالات متحده به نمونه ای از موتورهای بدنام و غیرقابل اطمینان H.O.R مجهز شده بود که از موتور دیزل 2 زمانه دوعملگره ای استفاده می کرد. اگرچه این موتور برای استفاده در یک زیردریایی با فضای محدود بسیار جمع و جور بود، اما هرگز دوباره از آن استفاده نشد.

A: سوراخ خنک کاری؛ B: کانال تغذیه روغن

انواع پیستون ها

1- پیستون های استوانه ای (Trunk Pistons)

پیستون های استوانه ای نسبت به قطر خود طول زیادتری دارند. آن ها همزمان به عنوان پیستون و کراس هد عمل می کنند. از آن جا که میل شاتون در اکثر لحظات چرخش خود حالت زاویه دار دارد، به همین دلیل در بین دیواره سیلندر و پیستون یک نیروی جانبی ایجاد می-شود. پیستون طولانی تر این نیرو را پخش کرده و از شدت آن می کاهد.

پیستون های استوانه ای از همان روزهای اولیه ابداع موتورهای رفت و برگشتی احتراق داخلی در این موتورها استفاده شده اند. از آن ها در هر دو نوع موتور بنزینی و دیزل استفاده شد، گرچه در موتورهای با سرعت بالا پیستون های سبک وزن لغزشی جایگزین آن ها شده اند.

خصوصیت مشترک اکثر پیستون های استوانه ای، مخصوصأ در موتورهای دیزل، این است که علاوه بر رینگ های بین گژنپین و تاج پیستون، در زیر گژنپین نیز یک شیار برای رینگ روغن وجود دارد.

نام پیستون های استوانه ای (Trunk Piston) از موتورهای ترانک گرفته شده که ابتدا در موتورهای بخار کشتی ها از آن ها استفاده می شد. برای کوچک تر کردن بیشتر این موتورها آن ها دیگر از میل پیستون های مرسوم در موتورهای بخار با کراس هد جدا استفاده نکردند و به جای آن گژنپین را مستقیمأ بر روی خود پیستون قرار دادند. اگرچه که این پیستون ها در موتور ترانک شباهت بسیار کمی با پیستون های استوانه ای حال حاضر دارند؛ آن ها در موتورهای ترانک بسیار بزرگ و قطور بوده و به صورت دوعملگره کار می کردند. ترانک در آنها عبارت از یک سیلندر باریک موجود در مرکز پیستون بود.

2- پیستون های کراس هد

موتورهای بزرگ و کم سرعت دیزل ممکن است که برای محافظت از خود در برابر نیروهای جانبی پیستون به یک قطعه دیگر نیز نیاز داشته باشند. این موتورهای معمولأ از پیستون های کراس هد استفاده می کنند. پیستون اصلی یک میل پیستون بلند داشته و این میله در پایین به یک پیستون با قطر پایین تر متصل می شود. پیستون اصلی وظیفه آب بندی را برعهده داشته و بر روی خود رینگ های پیستون را جای داده است. پیستون کوچک تر فقط به عنوان یک راهنمای مکانیکی عمل می کند. این پیستون در یک سیلندر کوچک به عنوان راهنمای ترانک حرکت کرده و گژنپین را در خود حمل می نماید.

روانکاری کراس هد نسبت به پیستون استوانه ای مزیت هایی دارد زیرا روغن روانکار در آن در معرض حرارت احتراق قرار نمی گیرد: روغن به ذرات دوده ناشی از احتراق آلوده نمی-شود، به دلیل حرارت بالا شکسته نمی شود و می توان از یک موتور رقیق تر با گرانروی کمتر استفاده کرد. اصطکاک در پیستون و کراس هد در چنین موتورهایی تنها به میزان نیمی از مقدار موجود در موتورهای با استفاده از پیستون استوانه ای می باشد.

به دلیل وزن اضافه در این پیستون ها، از آن ها در موتورهای پرسرعت استفاده نمی شود.

پیستون  چدنی ماشین بخار با استفاده از یک رینگ پیستون آهنی که با خاصیت فنری خود به سمت دیواره سیلندر فشار وارد می کند.

3- پیستون های لغزان

پیستون لغزان در موتورهای بنزینی استفاده شده و در آن تا جای ممکن از اندازه و وزن پیستون کاسته شده است. در موارد به خصوص،  فقط قسمت تاج پیستون و رینگ ها باقی مانده و قسمت پایینی آن فقط به اندازه ای که پیستون به سیلندر کوبش نداشته باشد، باقی مانده است. انتهای پیستون در مناطقی که به گژنپین مربوط نیست حذف شده اند. هدف بیشتر کاهش جرم رفت و برگشتی می باشد و به همین دلیل بالانس موتور راحت تر شده و به موتور اجازه دسترسی به سرعت های بالاتر داده می شود. در کاربردهای   مسابقه ای قسمت پایینی پیستون لغزان به نحوی طراحی می شود که در عین سبک بودن بتواند مقاومت یک پیستون کامل را داشته باشد. اینرسی کاهش یافته همچنین سبب بهبود در راندمان موتور خواهد بود: نیروهای مربوط به افزایش و کاهش شتاب در قطعات رفت و برگشتی نسبت به فشار سیال بر سر پیستون موجب اصطکاک بیشتری بین پیستون و سیلندر می شود. مزیت ثانویه این نوع پیستون ها می تواند کاهش اصطکاک بین سیلندر و پیستون باشد زیرا در این مورد مساحت سطح پایینی پیستون که در سیلندر بالا و پایین می رود به نصف کاهش یافته است. البته اکثر اصطکاک موجود مربوط به رینگ های پیستون که جزو قطعاتی هستند که به سختی در فضای بین سیلندر و پیستون جانمایی شده اند و همینطور سطوح یاتاقان پین مچی بوده که به این دلیل امکان استفاده از مزیت کاهش اصطکاک را محدود می کنند.

پیستون لغزان

4- پیستون های انحرافی

پیستون های انحرافی در موتورهای 2 زمانه با تراکم در محفظه لنگ استفاده می شوند که در آن ها جریان گاز درون سیلندر باید به طور دقیقی هدایت شده تا بتوان از جاروب موثر محفظه اطمینان حاصل نمود. با استفاده از جاروب به صورت مقطعی، دریچه های انتقال (ورود به سیلندر) و تخلیه به صورت مستقیم رو به دیواره سیلندر هستند. به منظور جلوگیری از خروج مستقیم مخلوط سوخت ورودی از یک دریچه به دریچه دیگر، پیستون در قسمت تاج خود دارای یک لبه برآمدگی می باشد. این لبه به منظور منحرف ساختن مخلوط سوخت ورودی به سمت بالا و حول محفظه احتراق طراحی شده است.

به منظور بهبود پدیده جاروب تلاش های بسیاری در طراحی مناسب تاج پیستون انجام شده است. تاج ها از یک لبه ساده تا بالاآمدگی های بزرگ خارج از محور معمولأ به شکل یک نوک تیز در سمت ورودی و یک انحنای ملایم در سمت تخلیه تغییر کرده اند. علی رغم تمام این موارد، جاروب مقطعی هرگز آن طور که امید آن می رفت موثر واقع نشد. امروزه اکثر موتورها به جای این از دریچه بندی اشنورله (Schnuerle) استفاده می کنند. در این طراحی از یک جفت دریچه انتقال در اطراف سیلندر استفاده شده و به واسطه آن جریان را مجبور می کنند تا بتواند به جای گردش حول محور افقی حول یک محور عمودی گردش کند.

پیستون انحرافی 2 زمانه

5- پیستون های مسابقه ای

در موتورهای مسابقه ای، مقاومت و سختی پیستون بسیار بیشتر از نمونه های مشابه در ماشین های سواری است و در همین حال دارای وزن بسیار کمتری می باشد تا بتواند به rpm بسیار بالای مورد نیاز در مسابقه برسد.

6- پیستون در ماشین های بخار

ماشین های بخار معمولأ به صورت دوعملگره ای هستند (یعنی فشار بخار به صورت متناوب به هر دو سمت پیستون اعمال می شود) و اعمال و تخلیه بخار توسط شیرهای دریچه ای، شیر پیستون یا سوپاپ انجام می گیرد. نتیجتأ پیستون های ماشین بخار تقریبأ همیشه با یک صفحه دیسک نازک قابل مقایسه هستند:

پیستون اولیه (سال 1830) در یک موتور تلمبه ای. آب بندی پیستون به وسیله استفاده از طناب هایی به دور آن صورت می پذیرفت.

قطر آن ها چندین برابر ضخامت آن ها است. (یک مورد استثنا در پیستون های موتور ترانک وجود دارد و در آن ها شکل پیستون شباهت بیشتری به پیستون موتورهای امروزی دارد.) عامل دیگر این که از آنجا که تقریبأ تمام ماشین های بخار از کراس هد برای انتقال نیرو به میله محرک استفاده می کنند، نیروهای جانبی کمی موجود بوده و خیلی با پدیده کوبش پیستون در دیواره سیلندر روبرو نخواهیم بود پس استفاده از پیستون سیلندری شکل لزومی نخواهد داشت.

اگر چنانچه در مورد خرید و قیمت لوازم یدکی همچون لوازم یدکی کیا سوالی دارید میتوانید از صفحه تماس با ما با کارشناسان ما تماس حاصل فرمایید.