KLIPNA GRUPA Klipnu grupu ili klipni sklop sačinjavaju: klip(1), klipni prstenovi (2), osovinica klipa (3) i osigurači osovinice(4). Klip č ini pokretno dno radnog prostora i svojim kretanjem omogućava promenu promenu zapre zapremine mine i time odvijanje radnog procesa.
F N Fk
Funkcije klipa:
1. Glavni, Glavni, osnovni zadatak zadatak klipa: klipa: prima gasnu silu silu i posredstvom
Fr
motornog mahanizma je pretvara u obrtni moment koji se prenosi potrošaču. Da bi se on izvršio klip vrši još čitav niz finkcija koje omogućavaju odvijanje radnog procesa.
2. Zaptivanje radnog prostora - kako kako bi se se spre sprečio prodor gasova u kućište i ulja u radni prostor. Ovu funkciju obavljaju klipni prstenovi.
3. Prijem normalne sile Fn i vođenje klipne grupe pri kretanju (kod
motora bez ukrsne glave). Zbog toga se mora obezbediti dovoljna vodeća (noseća) površina površina – plašt ili suknjica suknjica klipa. klipa.
I
4. Prijem toplote toplote iz komore sagorevanja sagorevanja i prenošenje prenošenje na cilindar i rashladni medijum. Oko 60% primljene toplote se prenosi preko kl. prstenova a ostatak preko plašta, osovinice i klipnja če. Kod termički jako opterećenih klipova se mora obezbediti dodatno hlađenje (najčešće prskanjem ulja sa donje strane). III 5. Formiranje prostora sagorevanja – oblikom čela klipa. Kod dizel motora sa dir. ubrizgavanjem je često celokupna komora sagorevanja smeštena u čelu klipa a i kod nekih oto motora.
6. Razvod radne materije – kod 2-taktnih motora motora klip otvara ulazne ulazne i
1 II IV
2 3
4
izlazne kanale na cilindarskoj cilindarskoj košuljici. Kod jednosmernog jednosmernog ispiranja otvara samo ulazne kanale.
V
Ove funkcije se ostvaruju u uslovima velikih mehaničkih i naročito termičkih opterećenja. Gubljenje funkcija klipa dovodi do znatnog pogoršanja radnog procesa procesa i to progresivno, i do potpunog prestanka rada. Najčešće anomalije u radu klipnog sklopa: - Gubitak Gubitak zaptivanj zaptivanja a - Oštećenja usled prevelikog termičkog opterećenja – prskotin prskotine e na čelu klipa i progorevanje
1. Klip; 2. Klipni prstenovi
OSNOVNI KONSTRUKTIVNI OBLIK KLIPA I Č elo klipa – može biti ravno, blago ispupčeno ili udubljeno. Kod dizel motora sa direktnim ubrizgavanjem najčešće formira komoru sagorevanja. Čelo klipa prima veliku količinu toplote.
II Vatrena zona (visina) – od čela do 1. klipnog prstena. Služi za termičku zaštitu 1. prstena. U njoj kao i u zoni klipnih prstenova nema dodira sa cil. košuljicom (zazor je znatno veći nego u zoni plašta). III Zona klipnih prstenova - u ovoj zoni su žljebovi za smeštaj klipnih
I II
III
prstenova. Tu takođe nema dodira sa cil. košuljicom. Često se zone I i II zajedno nazivaju kompresiona zona jer služe za zaptivanje.
Elementi I, II i III sa činjavaju “glavu klipa” IV Ležišta osovinice klipa ili “okca klipa” - pošto je klip mahom od Al
V IV
legure koja ima dobra klizna svojstva, nije potrebna nikakva ležišna čaura već su ležišta izrađena direktno u okcu.
V Plašt ili suknjica klipa - ovaj deo klipa služi za oslanjanje, vođenje klipa u cilindru i prenos normalne sile Fn na cilindar. Pošto se klip usled delovanja normalne sile oslanja o cilindar samo u pravcu delovanja te sile, tj. normalno na pravac osovinice, to se često kod brzohodih motora samo u tom pravcu plašt izvodi u punoj visini (zbog vođenja i obezbeđenja dovoljne nalegajuće površine radi smanjenja površinskog pritiska). U pravcu osovinice plašt se kod brzohodih motora često skraćuje, ili praktično i nepostoji (klip je kružnog preseka samo u kompresionoj zoni) radi smanjenja mase klipa.
Elementi IV i V sačinjavaju telo klipa. Osovinica klipa (3) - može biti slobodna u maloj pesnici klipnjače i u okcima - tzv. “plivajuća osovinica”. U tom slučaju se osovinica osigurava u aksijalnom pravcu osiguračima - prstenastim uskočnicima (4). Kod manje forsiranih motora u visokoserijskoj proizvodnji se osovinica može upresovati u maloj pesnici klipnjače i tada je pokretna samo u okcima klipa. Ovo rešenje je jeftinije u visokoserijskoj proizvodnji ali daje lošiju raspodelu opterećenja na osovinici.
Klipovi velikih brodskih motora (pogotovo sa ukrsnom glavom) se mogu izrađivati višedelno, pri čemu je glava klipa od čelika a telo od livenog gvožđa i međusobno su spojeni vijcima. Često se i kroz šuplju klipnjaču dovodi ulje u glavu klipa u cilju hlađenja čela klipa.
Aksijalni zazor klipnih prstenova se ostvaruje tolerancijom visine prstena i visine žljeba. Tolerancija prstena je standardna, uvek u minusu
h
-0.010 -0.012
h
+0.120 +0.180
Aksijalni zazor se ostvaruje tolerancijom visine žljeba koja je u plusu i zavisi od termičkog opterećenja motora. Npr. za 1. klipni prsten kod vazdušno hlađenih, 2-taktnih dizel motora iznosi +0.12, +0.18 dok kod vodom hlađenih, 4taktnih oto motora +0.03, +0.04. Ostali prstenovi imaju manji aksijalni zazor. Kod opterećenih dizel motora se često uliva nosač 1. klipnog prstena od spec. SL (leg. sa dosta Ni i Cu da bi koef. toplotnog širenja bio kao za Al) Tako se ostvaruje toplotni štit prema 1. prstenu (zbog manjeg λ) a i bokovi žljeba su veće čvrstoće. Visina grebena izmađu prstenova nije jednaka, najveća je između 1. i 2. prstena. Danas se klipovi brzohodih motora najčešće izvode sa 3 klipna prstena - kompresioni, strugač ulja i propusni strugač sa žljebom koji omogućava ravnomerno podmazivanje po obimu cil. košuljice. Kod nekih starijih konstrukcija broj prstenova je veći i jedan propusni strugač može biti i na dnu plašta.
PLAŠT KLIPA - u ovoj zoni se ostvaruje vođenje i oslanjanje klipa u cilindru. Radni zazor mora biti minimalan kako bi se smanjili udari pri promeni strane oslanjanja klipa o cil. košuljicu (kada dođe do promene smera dejstva normalne sile Fn) i time smanjila buka pri radu motora. Danas se teži da radni zazor bude, pri maksimalnoj radnoj temperaturi, tek toliki da se ostvari uljni film. Debljina uljnog filma iznosi Δfilm≈5-10 μm, tako da je min. vrednost zazora oko 0.02 mm po prečniku. Danas se obično u zoni plašta ide na radni zazor z r ≈0.02-0.05 mm (zavisno od prečnika klipa, zr ≈0.0005D c). Klip pri prelasku iz “hladnog” u radno stanje bitno menja svoj oblik usled termičkih i mehaničkih deformacija. Toplotne dilatacije klipa nisu jednake ni po visini ni po obimu klipa i uslovljene su nejednakim temperaturama po visini i obimu. Temperaturski profil po visini klipa zavisi od vrste motora (oto, dizel), taktnosti, vrste hlađenja ali i materijala klipa . Najviše temperature su kod vazdušno hlađenih, 2-taktnih dizel motora, a najniže kod vodom hlađenih, 4-taktnih oto motora. U svakom slučaju su najviše temperature na sredini čela a najniže pri dnu plašta. S obzirom na veliku razliku temperature u vatrenoj zoni i pri dnu plašta, logično je da će i toplotne dilatacije biti različite.
Klipovi od SL Klipovi od Al
Jedna varijanta autotermičke konstrukcije je sa tzv. “П” prorezima koji presecaju toplotni tok sa čela prema zoni plašta normalno na osovinicu i usmeravaju toplotu u zonu okaca, čime se termička ovalizacija pojačava. Efekat se dodatno pojačava ulivanjem čeličnog prstena sa unutrašnje strane na po četku plašta (odmah ispod zone prstenova). Uliveni prsten: 1. smanjuje opšti koeficijent toplotnog širenja i 2. vrlo je krut u pogledu promene dužine (obima) ali elastičan u pogledu promene oblika, tako da se ovalizacija pojačava.
EKSCENTRIČNO OSLANJANJE OSOVINICE KLIPA Buka pri radu klipa se može smanjiti ekscentričnim oslanjanjem osovininice tj. izbacivanjem ose osovinice iz ose klipa (cilindra) u
pravcu delovanja normalne sile u taktu ekspanzije. Ekscentricitet iznosi 2-3% pre čnika cilindra, tj. e (0.02-0.03)Dc. Bez ekcentriciteta - Pri promeni pravca normalne sile Fn, klip ≈
menja stranu oslanjanja ali se pri tome najpre zakošuje jer glava klipa ima veću masu i izložena je većoj inercionoj sili Fi pri promeni strane oslanjanja. Usled zakošenja donja ivica plašta struže ulje s košuljice i prilikom ispravljanja klipa plašt udara o površinu sa koje je delimično sastrugano ulje.
Ovakva konstrukcija ipak ne može u potpunosti kompenzovati promenu mere klipa u pracu normalnom na osovinicu. Jači efekat se postiže “bimetalnom” konstrukcijom klipa koja se ostvaruje ulivanjem čeličnih pločica u oblasti ležišta osovinice. Na taj način se dobija bimetalni zid iz dva sloja - sa spoljne strane aluminijum sa velikim koeficijentom toplotne dilatacije i sa unutrašnje čelik sa znatno manjim koeficijentom širenja. Prilikom zagrevanja klipa zid se savija pojačavajući ovalizaciju klipa u smislu smanjenja mere normalno na pravac osovinice, što je i cilj. Dobrom bimetalnom konstrukcijom se može postići da ugradbeni zazor (na hladno) bude jednak radnom zazoru, tj. nema promene zazora u toku zagrevanja klipa.
Sa ekscentricitetom - Usled ekcentričnog delovanja gasne sile klip se zakošuje još dok se kreće prema SMT. Donja ivica plašta sada povlači ulje tako da kada dođe do promene strane oslanjanja plašt udara o površinu sa slojem ulja koji amortizuje udar.
1. Livenje i takođe struganje na ovalni oblik kopirnim strugom (kopiranjem Propusni strugač može biti izveden i iz delova. Gornji i sa šablona). Posle toga se iseca prorez veličine u nemontiranom stanju. donji greben su tada izvedeni iz posebnih segmenata dok Ovako proizvedeni prstenovi imaju elastični napon dobijen prirodnim se imeđu njih nalazi opruga, tzv “ekspander”. putem i manju sklonost ka slabljenju napona usled zagrevanja u radu. MATERIJALI - moraju imati veliku tvrdoću i otpornost na habanje (dobra klizna svojstva) jer rade (naročito prvi) u uslovima polusuvog i suvog trenja i u uslovima povišene temperature. Specijalno legirano sivo liveno gvožđe - SL sa C 3.3-3.8; Si 2.2-2.8; Mn 0.5-0.9; P 0.5-0.6 - standardni materijal za klipne prstenove. Visoko opterećeni klipni prstenovi se izrađuju od spec. SL sa više legirajućih elemenata (C, Si, Mn, Cr, Mo, Vr, Cu, Ni, P). 1. KLIPNI PRSTEN - kompresioni je najčešće pravourgaonog preseka i izveden kao “minutni” tj. sa nagibom pod uglom od 20-40’ (mora imati oznaku šta je gore). Time se postiže brže uhodavanje (razrada) jer se donja ivica brže troši i time prilagođava cilindru. Kod forsiranih dizel motora presek 1. prstena može biti trapezni, čime se pospešuje istiskivanje zgusnutog ulja iz žljeba i kod manjeg aksijalnog zazora. Na taj način se smanjuje opasnost od “zapicanja” prstena. Visina prstena ne utiče na radijalni napon i bira se iz uslova stabilnosti oblika kako bi se sprečilo vitoperenje. Radi povećanja tvrdoće 1. prsten se obično hromira po spoljnoj površini. 20-40’
2. KLIPNI PRSTEN - strugač ulja se obično izvodi sa oštrom ivicom u obliku kljuna čime se pospešuje struganje ulja. On se po spoljnoj površini fosfatizira radi bržeg uhodavanja prilikom razrade. 3. KLIPNI PRSTEN - propusni strugač prikazan je u sklopu na prethodnoj strani. On ima kanal po obimu koji služi za ravnomerno raspoređivanje ulja kao i otvore za prolaz viška ulja prema otvorima u telu klipa i dalje prema unutrašnjosti.
Kada se klipni prsten skupi i montira, teorijski, radijalni pritisak je ravnomeran po obimu. Međutim okolina proreza se zbog prolaza gasova više greje i gubi elastičnu silu tako da se pritisak u toj zoni smanjuje (a). Da bi se to izbeglo prsten se pri obradi u toj zoni blago ovalizira čime se dobija veći radijalni pritisak (b). Tokom vremena se pritisak usled habanja na tom mestu smanjuje ali u dužem vremenu ostaje približno konstantan po obimu.
OSOVINICA KLIPA - služi za ostvarenje zglobne veze klipa sa klipnjačom. Čini oko 25% mase klipne grupe zbog čega se radi šuplja radi olakšanja. Kod opter ćenih osovinica unutrašnji otvor može biti izveden ne cilindrično već konusno ili kombinovano, kako bi se na sredini u zoni najvećih opterećenja povećao presek. Već je rečeno da osovinica kod visokoserijskih manje opterećenih oto motora može biti presovana u klipnjači i pokretna samo u okcima klipa. To je jeftinije rešenje ali daje lošiju raspodelu opterećenja. Kod “plivajuće” osovinice u maloj pesnici klipnjače postoji ležišna čaura a aksijalno fiksiranje se ostvaruje preko prstenastih uskočnika.
oto motori d0/Dc ≈ 0.25 du/d0 ≈ 0.64 - 0.7 dizel motori d0/Dc ≈ 0.4 du/d0 ≈ 0.5 - 0.6
Zazor osovinice u ležištima treba da je vrlo mali - nekoliko μm. Obično iznosi oko 5 μm što omogućava montažu bez zagrevanja klipa s obzirom na nejednako toplotno širenje osovinice i okaca klipa. Ovo se odnosi na plivajuću osovinicu dok kod presovane zazor u okcima mora biti veći (oko 15 μm). MATERIJAL - potrebna je vrlo velika čvrstoća a takođe zbog udarnih opterećenja i velika površinska tvrdoća. Upotrebljavaju se čelici za cementaciju i to kod oto motora obično Č.1220 a kod opterećenih dizel motora i visokolegirani Č.4320. Površinsko otvrdnjavanje se vrši cementacijom na tvrdoću 6062 HRC. Spoljna površina je vrlo fino obrađena (kvalitet N5). Osovinica je jako opterećena naizmenično promenljivim opterećenjem. Naročito je kritična ovalizacija osovinice pod dejstvom opterećenja usled čega može doći do zaglavljivanja.
