ŠKODA techweb [homepage]
Motor
13. března 2003

Teorie motoru 3.

srozumitelně vysvětlena


Ojnice:

Ojnice slouží jako spojovací článek mezi klikovým hřídelem a pístem a řeší se zároveň s klikovým hřídelem, zejména ojniční hlava. Její rozměry by měly být takové, aby se dala protáhnout vrtáním válce. Pokud rozdělíme ojniční oko kolmo k ose ojnice, vychází ojnice tužší a lehčí. Klikový čep vychází nejvýše 0,62 – 0,64 D (D = vrtání válce). Většinou průměr ojničního čepu vyhoví pevnostně i plochou ložiskové pánve. V některých případech se používá dělení oka pod úhlem 30° nebo 60° - když je průměr ojničního čepu větší než 0,66 D a je požadována demontáž vrtáním válce. Takto řešené ojniční oko dovoluje použít průměr čepu až 0,88 D. Jenže u každého šikmého dělení je velmi nepříznivé rozložení napjatosti, ojnici nevyjímaje. Ojniční oka musí být co nejtužší, ale přitom lehká. Tuhost oka je nezbytná pro uložení pánví ložisek, deformace z provozního namáhání musí být co nejmenší, nejlépe nulová. Je třeba si uvědomit, že ojnice koná složený kývavý a posuvný pohyb, při kterém je namáhána tahovými, tlakovými a odstředivými silami, které se pravidelně mění podle směru pohybu klikového hřídele. Vznikající výslednice sil silně namáhají ojnici, zhuštěná napětí je nutno při návrhu kontrolovat a podle toho přizpůsobit tvar jednotlivých částí ojnice. Plynulé přechody z dříku do oka zvyšují tuhost oka a rovnoměrněji rozloží napětí. Rozměry ojničního oka ovlivňuje umístění spojovacích šroubů, tyto by měly být co nejblíže čepu. Stěna mezi šroubem a pánví je jen 1 – 1,5 mm, blízké umístění šroubů omezuje rozevírání styčné plochy v dělící rovině, které vede k deformaci pánví a jejich zadírání. Tuhost ok se zvyšuje žebry a nálitky, které zároveň slouží k vyvažování příčných momentů. Velikost nálitků nebo žeber se určuje jako kompromis mezi tuhostí, hmotností a velikostí příčného momentu.
Šířka dosedací plochy víka a hlavy ojnice musí být co největší s těžištěm uprostřed osy šroubu. Přechody z opěrných ploch se řeší různými zápichy, okrouhlými zářezy apod. pro snížení koncentrace napětí v přechodech. Nedělená oka se používají u malých motocyklových motorů s děleným klikovým hřídelem.
Ojniční šrouby se řeší jako průchozí, u šikmo dělené hlavy se musí použít šrouby zavrtané, které dále komplikují návrh ojnice. Šrouby a matice se používají speciálně vyráběné z velmi kvalitních materiálů, závit se vyrábí válcováním pro zvýšení pevnosti. Přesný tvar šroubu se určuje podle návrhu ojničního oka a tak nelze používat šrouby jiné. Platí i pro matice. Proto při výměně šroubů používáme originální a pokud možno nové. Pro extrémě namáhané ojnice závodních motorů se používají šrouby se zúženým dříkem, které jsou pružnější a přestože mají menší průřez, jejich únavová pevnost je vyšší. Pokud potřebujeme dosáhnout minimální hmotnosti ojničního oka, používáme šrouby zavrtané – šroub je kratší a má tedy menší hmotnost. Odpadá výroba dosedací plochy pro matici, ale zase musíme vyrobit závit ve velmi tvrdém a houževnatém materiálu.
Víko ojnice se musí zajistit proti posuvu v příčném směru. Nejvíce se používá kalibrovaná válcová plocha na šroubu, která prochází téměř bez vůle otvory víka a hlavy ojnice. Někdy se používá zajištění pomocí kolíků, případně se přesazují pánve proti dělící rovině ojničního oka. Posledním hitem je dělení lomem po obrobení otvoru v ojničním oku, nerovný povrch lomu do sebe přesně zapadne a znemožňuje posun jakýmkoliv směrem. Používá se u ojnic vyráběných spékáním z kovových prášků vhodného složení, u výkovků je čistý lom problémový.
Dřík ojnice mívá nejčastěji profil I. Poměr výšky a šířky dříku je nejčastěji 1,3 – 1,6. Vnější žebra se v přechodu do hlavy rozšiřují pro zvýšení tuhosti a pevnosti. Stojina se umisťuje v ose válce. Malé vyosení, které se dělá pro zmenšení rozteče mezi sousedními válci u uložení za každým druhým zalomením, někdy způsobuje nerovnoměrné opotřebení ojničních ložisek. Profil H se používal u hvězdicových motorů a má některé vlastnosti lepší než profil I. Tento profil se používá jen vyjímečně, u sériových motorů jsem ho nikdy neviděl, údajně ho měl v sedmdesátých letech motor Renault 1,5 turbo pro F1.
Délka ojnice bývá asi 1,6 – 2,0 Z (Z = zdvih pístu). Z tohoto důvodu je lepší uspořádání s menším zdvihovým poměrem, protože poměrná délka ojnice se zvýší a normálná síla na válec z tlaků plynů se sníží. Pokud zvolíme malé vrtání a velký zdvih, musíme použít ojnici na spodní hranici délky, jinak se nepřijatelně zvýší výška motoru. Je to sice dobré, protože má být ojnice z hlediska tuhosti co nejkratší, ale hodnota pod 1,6 Z nepříznivě ovlivňuje mechanickou účinnost. Proto nelze volit zdvihový poměr libovolně. V praxi se většinou délka ojnice odvíjí od požadavku, aby se píst v DÚ co nejvíce přiblížil vývažkům klikového hřídele (někdy se dokonce upravuje plášť pístu vybráním pro vývažky). Délka ojnice se nejčastěji pohybuje v rozsahu 1,7 – 1,75 Z.
Pístní oko se provádí pouze jako uzavřené, jen u velkých lodních motorů je možné je z rozměrových důvodů provést jako dělené. Pístní čep se dnes používá převážně plovoucí, neboli má vůli jak v oku, tak v pístu. Plovoucí provedení umožňuje rovnoměrné rozložení tlaků na styčné plochy a rovnoměrné opotřebení celého obvodu čepu, což znamená vyšší životnost uložení. Přechod z dříku do oka musí být co nejtáhlejší a nemá se zužovat, jinak má ojnice v tomto místě snahu se trhat.
V přechodu z ojničního oka do dříku se dělá mazací otvor, kterým vystřikuje olej a dopravuje se přes stěnu pístu na spodní stranu dna pístu, který se tímto ochlazuje. Přestože je množství oleje relativně malé, odvádí dostatečné množství tepla ze dna pístu. Pokud se otvor ucpe a olej nemá možnost chladit píst, hrozí nebezpečí propálení pístu, proto při jakékoli manipulaci s ojnicí vždy tento otvor kontrolujte na průchodnost.

Ojnice se vyrábí kováním ze stejných materiálů jako klikový hřídel. Materiál třídy 16 se používá na ojnice přeplňovaných motorů, 13 240 se doporučuje pro vznětové motory. Pro malé motory a kompresory se ojnice vyrábí z litiny. Pro benzínové motory se v ojedinělých případech používají ojnice kované z lehkých slitin (hliník legovaný hlavně niklem a mědí), pro závodní motory se používá titan a jeho slitiny. Pro jiné mechanické vlastnosti titanu proti oceli má titanová ojnice o něco odlišnější tvar v přechodech, výroba je drahá a obtížná (tvrdost titanu odpovídá tvrdosti korundu a prakticky se dá jen brousit, běžné soustružnické nože ze slinutých karbidů hoří). Při výrobě ojnice se obrábí víko ojničního oka společně s ojnicí a oba díly se označí stejným číslem, většinou číslem válce, v kterém budou pracovat. Ojnice vyráběné novou technologií spékáním kovových prášků mají několik dobrých vlastností, výroba je méně energeticky náročná, prakticky se nevytváří odpad a téměř odpadá finální obrábění. Princip je v slisování přesně složeného kovového prášku do formy, kde se po stlačení lisem zahřeje. Jednotlivá zrnka kovu se k sobě spečou a vytvoří díl přesně podle formy (je to vlastně obdoba výroby slinutých karbidů, které se používají v obráběcí technice). Ojniční oko je vyrobeno jako celek, rozdělení se provede zlomením na speciálním stroji. Lom je drsný a obě části do sebe přesně zapadnou podle lomové drsnosti, tím se zabezpečí neproměnná poloha obou částí vůči sobě. Díky rovnoměrnému prohřátí materiálu při spékání nedochází k pnutí materiálu a není potřeba dalších tepelných úprav.
Vůbec posledním nepovedeným hitem je pokus vyrobit ojnici z pásku zastudena válcované oceli (pevnost 190 – 210 kg/mm2 – záměrně používám staré jednotky pro lepší představu). Jde o čs. vynález, snad dokonce patentovaný. Vezme se pásek výše zmíněné oceli o šířce klikového čepu, tloušťce asi 1 mm a délce rovnající se obvodu ojnice v ose kyvu + 5%, tento se přesně v polovině délky obtočí okolo pouzdra pístního čepu (tím se vytvoří pístní oko), poté se prohnou obě strany v požadované délce dříku do tvaru U otevřením dovnitř (tím se vytvoří dřík) a opět se rovná část pásku obtočí okolo pánve klikového čepu (máme ojniční oko) a přesahující materiál se v místě dolního vývažku ohne ven tak, aby obě části byly skoro u sebe, těsně pod spodní pánví se provrtají a spojí šroubem s maticí. Přebytečný materiál se odstřihne. Hmotnost ojnice je nepřekonatelně nízká a výroba neskutečně levná. Jenže tuhost uložení pánví a pouzdra je diskutabilní a pro sériovou produkci nevyhovující. Bylo okolo toho dost křiku, jak budeme prodávat licence na Západ atd. Po ohlášení se uskutečnily provozní zkoušky, jejich výsledek oficiálně zveřejněn nebyl a jak to rychle přišlo, tak to ještě rychleji odešlo. Každopádně při malé úpravě ložisek je toto provedení velmi vhodné pro závodní motocyklové motory, kde se více než 130 km většinou neujede a po závodě se vše vymění.

Úprava ojnice spočívá ve vyleštění povrchu podobně jako u klikového hřídele. Odběr materiálu pro snížení hmotnosti vždy sníží únavovou pevnost a tak sníží životnost ojnice na počet ujetých km. Lze odbrousit vývažky na obou okách, toto na životnost velký vliv nemá. Ztenčování dříku ojnice se musí provádět až po důkladném prověření na zhuštěná napětí a pevnost, nesprávně provedený odběr materiálu vede k přetržení ojnice s vážnými následky pro motor (vzpříčená ojnice prorazí blok a poškodí klikový hřídel). Pro jeden závod je možné použít extrémě vylehčené ojnice, ale po závodě se musí vždy vyměnit. Pamatuji si výrobu kované ojnice pro silniční jednoválcový motocykl 125 cm3, kde stojina měla tloušťku papíru a vnější žebra měla méně než 0,5 mm (proti původní ojnici měla 20% hmotnosti). Motor dával 34 k při 12 500 ot/min a životnost ojnice byla cca 120 km. Po závodě bylo vidět natažení dříku ojnice, ještě chvíli a podala nám ruku. Pokud se vám stalo, že se sériová ojnice přetrhla, šlo v drtivé většině případů o vadu materiálu, která se mohla projevit i po 150 000 km. (Často se s ojnicemi zachází po dobu generální opravy motoru značně nešetrně, různě se pohazují z bedny do bedny a pokud dojde k nárazu dříku na tvrdou ostrou hranu, vytvoří se vrub, který po nějakém čase způsobí zlomení ojnice.) Jak už jsem se zmínil, vlasové trhliny nebo pecky strusky blízko kraje materiálu postupně naruší soudržnost materiálu a tento se přetrhne. Narušování materiálu postupuje pomalu, ojnice se začne všelijak kroutit a plochy lomu se o sebe třou, tím se vyhlazují a proto bývá místo poruchy různě oleštěné. Ojnice se nepřetrhne hned, zbylý zatím nenarušený průřez dříku nějakou dobu ještě vydrží. Kované ojnice mají vysokou houževnatost a tak se materiál před přetržením nejdříve různě ohýbá a protahuje a teprve potom praskne. Proto mají přetržené ojnice různé nepochopitelné tvary a povrchy v místě zlomení.
 Při výpočtu ojnice na pevnost musíme započítat koeficient pro střídavé namáhání, který je asi 0,3. Proto pokud máme materiál s pevností 100 kg/mm2, pro střídavé namáhání počítáme jen 30 kg/mm2. Některé konstrukční ocelové materiály mají změřenou přesnou hodnotu pevnosti pro střídavé namáhání, která může být i vyšší, najdeme ji v technických listech daného materiálu. Pokud při návrhu ojnice použijeme tuto hodnotu, materiál by měl mít teoreticky neomezenou životnost (při výrobě bez technologických vad), počet cyklů střídavého namáhání není omezen (pokud nepřekračujeme jejich maximální hodnotu, pro kterou byly počítány). Jakmile tuto hodnotu překročíme, počet cyklů do možného lomu materiálu se začne snižovat. Materiál se sice ihned nepřetrhne, to by se musela překročit maximální pevnost materiálu (zmiňovaných 100 kg/mm2), ale nelze mít ojnici v motoru donekonečna. Odlehčit ojnici pro použití v sériovém motoru pro normální provoz lze pro dosažení lepší mechanické účinnosti, ale nedoporučuji motor dlouhodobě provozovat v maximálních otáčkách (ovšem záleží na velikosti odlehčení). Hlavně se nesnažte odebírat materiál v místech přechodu do pístního oka, tam se potom ojnice nejčastěji trhá. Pokud nemáte po ruce zkušeného úpravce, postupujte asi takhle: nejdříve si ojnici co nejlépe prohlédněte a zjistěte podle vzhledu povrchu tzv. nadbytečný materiál (většinou místa hruběji opracovaná, většinou vnější plochy žeber dříku, různé předlité nápisy a čísla atd.). Potom si prohlédněte všechny hrany, tato místa většinou síly nepřenášejí a tak je možné je zakulatit. Povrch ojnice je vhodné vybrousit a vyleštit, povrchová drsnost od odlití a kování stejně pro pevnost ojnice nedělá vůbec nic a hlavně se v ní skrývají povrchové vady. Dosedací plochy pro hlavy šroubů a matic vyleštěte do zrcadlového lesku a pokud možno použijte nové šrouby s maticemi. Je možné odbrousit vývažky na obou okách, ale musíme zachovat minimální tloušťku oka pro dobré uložení pánví ložisek. Nikde nesmí zůstat ostrá hrana, vše by mělo mít minimální rádius aspoň 1 mm. Doporučuji si kompletní ojnici nejdříve zvážit, abychom po opracování mohli zjistit míru odlehčení. Zvážit musíte ojnici celou a potom hmotnost jednotlivých ok (jedno oko na váhu a druhé podložit ve stejné výšce nějakou opěrkou). Všechny ojnice by měly být stejně těžké včetně hmotností ok s tolerancí do 1 g. Pokud bude snížení hmotnosti při dodržení všech výše popsaných pravidel do 10%, můžete motor provozovat jako před tím, únavová pevnost poklesne minimálně – výrobce si vždy nechává bezpečnostní rezervu na tolerance sériové výroby. Pokud odlehčíte i pístní skupinu, namáhání ojnice poklesne a je možné ojnici odlehčit ještě více bez nebezpečí destrukce. (Nedokáži vám přesně říct výši poklesu životnosti pro každé ubrané procento materiálu, záleží na mnoha činitelích. Pokud se skutečně chcete zabývat úpravou, je nejlepší se zeptat u tuningových firem kam až můžete jít (mají jakési zkušenosti, většinou jde o bývalé soutěžáky), nebo si příslušně upravené ojnice u nich koupit. Čím máte lehčí posuvné hmoty, tím jsou menší mechanické ztráty a i bez dalších zvláštních úprav se zvýší výkon a poklesne spotřeba. A nezapomeňte, že upravovaná ojnice by měla být nová a nebo by neměla mít moc naběháno. Pokud má použitá ojnice několik ještě neodhalených povrchových trhlinek, materiál může již být dost unavený a přestože při úpravě trhlinky odstraníme, hrozí nebezpečí havárie.
 

Pístní skupina:

Záměrně nepíši píst, ale pístní skupina, protože se při návrhu pístu zároveň řeší uložení kroužků a umístění a provedení pístního čepu. Píst slouží k přenosu tlaku spalování a těsní spalovací prostor proti průtoku plynů a proti vnikání oleje při všech provozních podmínkách. Těsnící funkci napomáhají pístní kroužky, které také zabezpečují minimální průnik oleje do spalovacího prostoru. Píst pracuje za značného tepelného a mechanického namáhání při nedostatečném mazání a tak jsou na použitý materiál pro výrobu pístů kladeny velmi náročné požadavky. Technologie výroby pístů je již u své horní hranice a tak se nedá v dohledné době počítat s nějakými převratnými novinkami ve výrobě pístů. I ten nejdokonalejší píst má neodstranitelné nedostatky. Ovšem pro použití v sériových motorech dnešní technologie vysoce přesahuje požadavky a tak již píst není problematickou součástí motoru a jeho poruchovost je zcela zanedbatelná.
Kromě přenosu tlakových sil musí píst odvést docela slušné množství tepla a tak je snaha o co nejmenší povrch dna pístu, které by mělo být rovinné, bez různých výstupků a zahloubení pro ventily. Nedá se to vždy splnit a tak se při výpočtu pístu dbá na dostatečné průřezy dna pro dobrý odvod tepla z inkriminovaných částí. Materiál pístu by tedy měl mít co nejvyšší tepelnou vodivost (aby teplo rychle odváděl) a zároveň by měl co nejméně teplo přijímat. Tomuto nejlépe vyhovují slitiny hliníku. Původně vyráběné písty z levné litiny se při zvyšování litrového výkonu rychle dostaly na hranici svých možností a dnes se již nepoužívají. Kromě vysoké hmotnosti měly i vyšší vlastní teplotu, která vedla u zážehových motorů k samozápalům. Proto pro použití v zážehových motorech nejsou vhodné. U motorů vznětových ale jejich vyšší teplota je naopak výhodou, pro zapálení nafty je možné použít menší kompresní poměr a tím se zmenší mechanické ztráty. Písty pro velké vznětové motory se v případě použití litiny vyrábí jako dvoudílné – dno pístu se spalovacím prostorem je litinové, bývají v něm první dva kroužky kvůli odvodu tepla a plášť je hliníkový a obsahuje zbylé kroužky, obě části do sebe přesně zapadnou (jako LEGO) a spojí se pístním čepem. Takto provedený píst je relativně lehký, litina má lepší kluzné vlastnosti proti hliníkové slitině a tak se různé protichůdné vlastnosti navzájem eliminují. Ovšem nechci tvrdit, že všichni výrobci velkých motorů používají tuto konstrukci, lisované hliníkové písty pravděpodobně převládají.
Tepelné zatížení pístu silně ovlivňuje velikost jeho celkového roztažení. Píst by měl mít co nejmenší vůli ve válci, avšak velká tepelná roztažnost hliníkových slitin nepříznivě ovlivňuje dodržení optimálních rozměrů pístu. Proto není tvar pístu za studena přesně válcový, ale oválný a kuželový, po zahřátí na provozní teplotu se vše vyrovná a píst má optimální válcový tvar. Teplota pístu se mění v provozu až o 120° C a i vůle pístu se v tomto poměru mění. Aby se roztahování pístu omezilo, je nutné provést určitá technická opatření. Původní prořezávání drážek v plášti pístu, které zvyšovalo pružnost pláště a řídilo tok tepla pláštěm dnes ustoupilo zalévání vyrovnávacích vložek z invaru. Invar je slitina kovů s nepatrnou tepelnou roztažností a protože má větší pevnost než hliníkové slitiny, znemožňuje roztahování materiálu pístu v širokém rozsahu teplot. Zvýší se sice vnitřní pnutí v pístu, ale ne natolik, aby vedlo k jeho poruchám. Nevýhodou je zvýšení hmotnosti pístu proti celohliníkové konstrukci, invar má vyšší měrnou hmotnost. Přesto všechno výhody nepatrné tepelné roztažnosti natolik převládají, že se už dnes nekompenzované písty prakticky nepoužívají.
Jako dilatační vložka se nemusí použít jen invar, ale i jiné slitiny, nejčastěji Fe – Ni – Co. Poměrem prvků ve slitině se mění vlastnosti při různých teplotách a tak se dají pro to které provedení motoru vytvořit optimálně fungující písty. Z těchto slitin se také vyrábějí můstky pro uložení pístních kroužků, z nich se velmi osvědčilo použití nirezistu.
Malá vůle je nezbytná pro dobré vedení pístu a hlavně pístních kroužků ve válci, jakékoliv naklopení má za následek obrušování hran kroužků, které postupně přestávají plnit svoji funkci. Kroužek navíc vydírá povrch válce a snižuje jeho životnost. Za chodu motoru dochází k přemísťování kroužků v drážce pístu od jedné strany k druhé, pokud se k tomu ještě přidá další vektor, kroužek začne vytloukat drážky, čerpací účinek z pohybu „tam a zpět a ještě kamsi“ se zvýší a olej více proniká nad píst, kde se spaluje a uniká výfukem ven. Původní písty škodovek dilatační opatření neměly a sami znáte jejich problémy – po nějakých 50 – 60 000 km se začne spotřeba oleje zvyšovat a pokud vozidlo jezdí převážně po městě a převládá u něj provoz za nízkých teplot chladící kapaliny (časté studené starty), v 80 000 km se s motorem pořádně nedomluvíte. Teprve přísnější legislativa donutila AZNP Mladá Boleslav použít písty u Favorita s invarovou vložkou, předpokládalo se brzké uzákonění používání katalyzátorů. Kromě olova a nespálené směsi je špatně spálený olej nejdůležitější veličinou vedoucí k zničení katalyzátoru. Porovnejte spotřebu oleje a životnost motorů řady Š 105 – 120 a Favorita, rozdíl je značný. Je pravdou, že bylo provedeno množství dalších zásahů na motoru včetně použití jiných pístních kroužků a materiálu válců, ale i tak je použití kompenzovaných pístů přínosem. Malá vůle pístu ve válci ovlivňuje hlučnost motoru, kompenzovaný píst má až o 3 dB u vodou chlazeného a 8 dB u vzduchem chlazeného motoru nižší hlučnost, zvlášť po spuštění studeného motoru je rozdíl výrazný. Pokud je motor ještě v dobrém stavu, vliv pístu na hlučnost je malý. Jak jsem popsal v předchozím díle, klopení pístu se omezuje kromě malé vůle ještě vyosením klikového hřídele od osy válců, písty jsou tak tlačeny více k jedné straně válce a k významnějšímu klopení ve válci dochází jen krátkodobě při odlehčení motoru.
Písty se dnes vyrábějí jako odlévané (do písku, do kokily) nebo kované (lisované). Odlévané písty dostatečně vyhovují pro sériové motory a měrné výkony do 60 kW/dm3. Při pečlivém návrhu je možné použít odlévané písty i pro měrné výkony vyšší, pokud se nepředpokládá dlouhodobý provoz na plný výkon. Takto zhotovené písty jsou výrobně levné a výrobní zmetkovitost je na přijatelné úrovni. Kované písty se vyznačují vyšší pevností a proto je možné snížením tloušťky stěn dosáhnout nižší hmotnosti. Kované písty jsou nezbytností u vysokovýkonných motorů. Z pevnostního hlediska je dno předimenzováno, protože dno pístu nejen že přenáší tlak na ojnici a klikový hřídel, ale zároveň odvádí největší díl tepla, které píst absorbuje. Proto musí být tloušťka dna dostatečná, aby se teplo rychle odvádělo přes pístní kroužky do stěny válce. Zesílení pístu v místě uložení pístního čepu se dělá co nejmenší, aby se zbytečně nezvyšovala hmotnost pístu. Stěna pístu se v ose pístního čepu může značně vylehčit nebo dokonce úplně odstranit, protože nepřenáší žádný tlak z působení plynů. U závodních motorů se používají tzv. T-písty, jejich název vznikl z jejich charakteristického tvaru písmene T při pohledu na bok pístu kolmo na pístní čep. Plášť prakticky chybí, jen na stranách kolmých k ose pístního čepu jsou úzké pásky materiálu ode dna dolů, které nahrazují plášť pístu, aby byl píst ve válci nějak veden. Jde o nejlehčí variantu pístu danou objemem použitého materiálu. AZNP jimi osazovala svoje závodní motory již někdy v 70. letech.
Materiálem používaným na výrobu pístů jsou nejčastěji hliníkové slitiny. (Slitiny hořčíku se používají jen u závodních motorů, jejich výroba je velmi drahá a dá se zdůvodnit nižší měrnou hustotou hořčíkových slitin.) Počet a množství legujících prvků se liší podle účelu použití pístu. Slitiny s vysokým obsahem křemíku mají velmi dobré vlastnosti ohledně pevnosti a kluzných vlastností a jsou určeny pro písty kované. Mají také menší tepelnou roztažnost. Z tohoto pohledu se rozlišují písty s obsahem křemíku do 13% (min. 11%) a nad 13% (max. 18%). První skupina se používá pro zážehové, druhá skupina pro vznětové motory. Většina výrobců kovaných pístů si technologické postupy chrání jako průmyslové tajemství a tak se dopátrat přesných postupů je pro našince nemožné. Ne že by technologie výroby takových pístů nebyla metalurgům známá, ale při vývoji pístů přidáváním dalších prvků se původní postup musí upravit a tyto jemnosti si firmy nechávají pro sebe. Nám se podařilo vyrobit píst do stopětadvacítky až na šestý pokus, když jsme ještě předtím asi deset pístů úmyslně zničili při kontrole zrnitosti materiálu (čím jemnější zrnitost, tím pevnější a kvalitnější je materiál). Dnes se vůbec divím sám sobě a ostatním zúčastněným, že jsme na toto měli odvahu. Na druhé straně jsme tehdy byli jediní v republice, kdo se kované „třináctiprocentní“ písty odvážil sám a úspěšně vyrobit, ostatním zbýval pouze nákup v devizové cizině, nebo jezdit s upravenými sériovými výrobky. Jediný pokus mnohonásobného mistra republiky (jméno doplň sám) vypadl (po zoufalém „odskákání“ tréninku) v druhém kole závodu a tím tento pro něj skončil nadobro (píst zadřený tak, že ho dostávali ven z válce velkou palicí). Jinak obsah křemíku v sériových pístech většinou nepřesahuje 2%. Při návrhu pístů se musí dbát na umístění dilatačních vložek a pouzdra pro uložení pístních kroužků. O dilatační vložce z invaru již byla zmínka, pouzdro pro pístní kroužky je nutné z hlediska životnosti drážek pro uložení kroužků. Kroužek se za pohybu pístu přemísťuje mezi horní a dolní stěnou drážky a má snahu drážku roztahovat. Nesmíme zapomínat, že píst provede za dobu své životnosti několik stovek miliónů pohybů mezi úvratěmi a při průměrné pístové rychlosti 6 – 10 m/s působí pístní kroužky na stěny drážky dost velkými silami. Kroužek musí být v drážce volně posuvný, aby mohl svojí pružností plnit určenou funkci. Přestože je axiální vůle max. 0,03 mm, k axiálnímu pohybu kroužku dochází a při drážkách vyrobených soustružením v hliníkové slitině pístu dochází postupně k vytloukání hliníkové slitiny a zvětšení vůle se všemi negativními důsledky pro činnost pístních kroužků. Kroužek se potom v drážce nadměrně pohybuje a podporuje čerpací účinek, kterým se dostává olej nad píst do spalovacího prostoru. Kroužky se proto ukládají do zalitých vložek z odolnějších materiálů.

Poznámka:  v detonačním režimu nebo při tepelném přetěžování (nevhodný předstih nebo použité palivo) dochází k tzv. propalování pístů. Propalování pístů z účinků tepla je signálem, že píst nebyl optimálně navržen z hlediska odvodu tepla, nebo není dno pístu zespodu ostřikováno olejem, který běžně odvádí asi 10% celkového tepla. Tento jev není příliš častý a může se vyskytovat při zvyšování výkonu pomocí přeplňování. Druhým jevem, který způsobuje propálení dna pístu, je kavitace. Kavitace je jev velmi známý u vodních čerpadel a vodních turbín, v principu jde o prudké změny tlaku, kdy se rychle mění vysoký tlak až na značný podtlak, dochází k tvorbě plynových dutin, které se rychle zaplňují kapalinou a tak pořád dokola. Projevuje se zvýšeným hlukem a pokud vzniká kavitace v blízkosti stěn, narušuje jejich povrch vytrháváním zrn materiálu. Rozdíl mezi propalováním a kavitací se pozná podle struktury okrajů otvoru, kavitace nezpůsobuje tepelné změny materiálu (není rozteklý okraj otvoru). Proti působení kavitace příznivě působí vyleštění dna pístu, případně zvýšení tvrdosti povrchu (nejlépe kombinace obou).

Pístní kroužky se dnes zpravidla používají tři (dva těsnící a jeden stírací), u vznětových motorů čtyři (tři těsnící a jeden stírací). Dříve se používaly kroužky čtyři i u zážehových motorů pro doplnění funkce těsnících kroužků při případném zapečení jednoho z nich. Některé konstrukce používaly dva těsnící a dva stírací kroužky, kdy jeden z nich byl až pod pístním čepem a snižoval spotřebu oleje lepším udržováním mazací vrstvy na stěnách válce. První dva kroužky mají za úkol těsnit píst ve válci proti pronikání plynů pod i nad píst, třetí kroužek zajišťuje stírání přebytečného oleje a udržuje optimální mazací vrstvu. Prostřední kroužek zpravidla mívá kombinovanou funkci těsnící a stírací. Snaha o co nejmenší třecí ztráty vede k provedení jen se dvěma kroužky, vývoj zatím pokračuje i když už jsem někde zaslechl, že snad Audi už něco do sériové výroby chystá. Nejvíce namáhaným kroužkem je kroužek první. Jeho úkolem kromě těsnění pístu je odvod tepla ze dna pístu do stěny válce. Všechny kroužky odvedou z pístu 60 – 80% tepla, zbytek se odvede stěnami a umělým chlazením ostřikem spodní části dna pístu olejem výstřikem z otvoru v ojničním oku. První kroužek odvede až 80% tepla připadající na kroužky, poslední kroužek odvádí již zanedbatelné množství. Vyrábí se z litiny nebo oceli. Pro zvýšení životnosti se styčná plocha kroužku s válcem opatřuje vrstvou tvrdochromu a nebo molybdenu. Tvrdochrom a litina se jako třecí dvojice při dobrém mazání vyznačují nepatrným opotřebením. Pokovení má ale jeden zápor – nedají se dodržet vnější ostré hrany kroužku, které jsou důležité pro těsnící funkci. Zvýšení životnosti prvního kroužku pokovením je natolik významné, že se ostré hrany oželí. Pokovit litinu nejde a tak se první kroužky vyrábí vesměs z oceli.
První kroužek má často prostý obdélníkový průřez, nebo se vyrábí tzv. minutový (se zkosením 0,75?) a styčná plocha se pokovuje. Vnitřní horní hrana se někdy mírně zkosí pod úhlem 45?, podle zkušeností se zmenší čerpací účinek kroužku. Drážka pro první kroužek mívá větší vůli, od 0,041 do 0,08 mm. Při návrhu kroužku se dbá na optimální přítlak a velikost kroužku, aby se v provozu příliš neměnila vůle v zámku. Tvary zámků se používají různé, od jednoduché kolmé štěrbiny přes šikmý řez až po složité překrývání bez jakékoliv mezery. Pokud je kroužek optimálně navržen, většinou vyhoví kolmá štěrbina. Tloušťka kroužku nesmí být nadměrná, zvětšují se třecí ztráty (musí mít větší přítlak) a kroužek se za provozu špatně přizpůsobuje tvaru válce. Tlustý kroužek je těžší a více vytlouká drážky. Protože se špatně přizpůsobuje změnám pohybu, dochází často k jeho rozkmitávání, čemuž napomáhá také působení tlaků plynů z obou stran kroužku. Z praktických zkušeností vyplynula největší použitelná tloušťka 2 mm, nyní se používá 1,5 mm i méně. Tloušťka kroužku je dána také vrtáním válce, velké písty mohou mít kroužky tlustší. Vzdálenost prvního kroužku ode dna pístu se volí taková, aby teplota v drážce nepřesáhla 220? C, běžné hodnoty se pohybují v rozmezí 190 – 210? C. Při teplotách vyšších (při 250? C) začne olej vytvářet pryskyřičné látky (asfaltovatět) a kroužky se zapečou. Jakmile nemají možnost pohybu v drážce, jejich funkce je narušena, zvýší se profuk okolo pístu do klikové skříně, klesnou kompresní i spalovací tlaky a poklesne výkon doprovázený zvýšením spotřeby oleje a paliva. Pokud není motor nadměrně opotřebený, lze demontáží pístů a vyčištěním drážek (provádí se nejlépe použitým zlomeným kroužkem stejného typu) obnovit původní funkci kroužků. Doporučuji poté vyměnit všechny kroužky za nové a použít olej vyšší výkonnostní klasifikace. Poté věnovat prvních 1 500 km pozornost záběhu kroužků, motor nadměrně nezatěžovat.
Druhý kroužek může mít tvar přizpůsobený specifické funkci, pokud chceme dosáhnout kombinované funkce těsnící a stírací, použijeme kroužek s osazením nebo zkosený. Osazený kroužek má na spodní hraně ve styku s válcem zápich, jehož ostrá hrana napomáhá stírání oleje při pohybu pístu k DÚ. Takový kroužek má Š 120. Kroužek zkosený má styčnou plochu s válcem zkosenou pod úhlem 15´, 30´nebo 2? při pohybu pístu k HÚ kroužek jakoby nabíhá na olejovou vrstvu a při opačném pohybu ostrá spodní hrana přebytečný olej stírá ke spodní straně válce. Kroužek tohoto typu je ve Š 105. Tyto kroužky se nepokovují, pokovení by narušilo ostrost stíracích hran. Zkosený kroužek napomáhá záběhu pístní skupiny ve válci. Pro tloušťku kroužku platí totéž, co pro první kroužek.
Třetí stírací kroužek má pouze jednu funkci, a to stírat přebytečný olej a udržovat optimální mazací vrstvu oleje na stěnách válce. Protože se válec maže odspodu ostřikem, musí kroužek odvádět celkem velké množství oleje a tak je jeho konstrukce odlišná od prvních dvou. Kroužek má celkově dvojnásobnou šířku. Tvar kroužku je složitý, obdélníkový průřez má ve styčné ploše uprostřed zápich a v něm několik otvorů pro odvod oleje přes stěnu pístu zpět. Okraje kroužku ve stykové ploše s válcem mají tedy celkovou skutečnou tloušťku zhruba stejnou jako první dva kroužky. Tyto plochy se zkosí pod úhlem cca 4 - 5? (nebo 18 - 20?) buď na vnějších hranách, nebo vždy na straně ke dnu pístu. V prvním případě stírají při každém směru pohybu pístu (Š 120), v druhém případě stírají pouze při pohybu k DÚ (Š 105). Aby se dosáhlo co nejlepšího přítlaku tohoto kroužku, opatřuje se tzv. expandérem, což bývá dlouhá válcová pružina o malém průměru (asi 2,5 mm), která se umístí mezi vnitřní stěnu drážky a kroužek. Svou pružností napomáhá optimálnímu přítlaku kroužku. Expandér nemusí být válcová pružina, ale jakýkoliv pružný člen, který zabezpečí přítlak kroužku. Popisovaný kroužek je tedy tvořen dvěma částmi. Poslední výzkumy doporučují použití tzv. skládaných kroužků. Tyto kroužky se skládají ze tří částí, expandéru a dvou stíracích kroužků. V principu jde o dvoudílný kroužek, který má rozdělenou stírací část axiálně na dvě části. Protože již není zapotřebí vytvářet otvory pro odvádění oleje, střední část kroužku chybí. V praxi má tento kroužek expandér tvaru U se širokými límci a dva velmi tenké jednoduché kroužky, které límce expandéru přitláčí na válec. Jelikož oba kroužky pruží nezávisle na sobě, mohou se lépe přizpůsobovat tvaru válce a tím se dosáhne velmi dobrých výsledků při stírání oleje. Tyto kroužky lze pokovovat podobně jako těsnící kroužky. Kroužek se dá vyrobit celkově užší (3 mm), jeho funkčnost zůstává zachována po celou dobu životnosti motoru (do GO). Takové licenčně vyráběné kroužky (Nippondenso) má motor Favoritu a další následující. Někdy se drážka pro stírací kroužek vyrábí jako nepatrně lichoběžníková, kroužek lépe roztírá mazací olej a omezuje se čerpací účinek oleje.
Popisované kroužky patří k tzv. klasickým, používaným v Evropě dlouhá desetiletí. Pokud se použije dostatečně kvalitní materiál na válce, kroužky a provedení pístu je také na úrovni, celá pístní skupina dlouhodobě plní svoji funkci. Vzhledem k množství ujetých kilometrů běžným spotřebitelem je životnost motorů v Evropě dostačující. Ovšem v zemích za oceánem se jezdí autem výrazně více a proto se hledaly způsoby, jak co nejvíce prodloužit životnost motorů a zvláště pístních kroužků. Vzniklo proto několik různých konstrukcí těsnících kroužků, z nichž se praktického uplatnění dostalo dvěma provedením, kroužkům zborceným a typu Keystone.
Zborcený kroužek vznikne tak, že se vyrobí normální kroužek s jiným poměrem tloušťky a šířky. Pokud je šířka větší než je obvyklé, kroužek při stlačení v drážce má snahu se zbortit – prohnout a tím se vymezí vůle mezi kroužkem a drážkou. Tomuto se napomáhá i tvarem a technologickým zpracováním, aby se kroužek zbortil vždy tak, že se horní vnější hrana opře o horní stěnu drážky a spodní vnitřní hrana o spodní stěnu drážky. Takový kroužek nekmitá, zamezuje tvorbě pryskyřicovitých látek v drážce a silně omezuje čerpací účinek oleje.
Kroužky Keystone mají výrazně lichoběžníkový tvar, tvar drážky v pístu je také lichoběžníkový. Lichoběžníkový tvar napomáhá výměně oleje v drážce pístu a tím omezuje vytváření pryskyřicovitých látek v drážce a nedochází tak ke svírání kroužku při velmi malé vůli kroužku v drážce. Profil kroužků je buď symetrický nebo asymetrický lichoběžníkový. Symetrické kroužky mají úhel 15?, asymetrické mají horní stranu pod úhlem 7,5?.
Doporučovaná sestava kroužků podle SAE:  první kroužek obdélníkový pokovený, druhý kroužek zkosený a třetí třídílný skládaný (přesně tak to má Favorit).

Pístní čep – jde v podstatě o dutý váleček z kaleného a broušeného ocelového materiálu. Čep se používá buď pevný, nebo plovoucí. Pevný čep je upevněn bez vůle v oku ojnice a koná kývavý pohyb v pístních okách. Plovoucí čep je uložen letmo jak v pístním oku ojnice, tak v pístu. Plovoucí provedení vykazuje vyšší životnost, protože se čep volně otáčí a tak se rovnoměrně opotřebovává po celé své ploše. Protože se obě vůle sčítají, má píst větší volnost pohybu ve válci a tak si najde lepší dráhu pohybu ve válci. Čep se vyrábí z oceli třídy 12, 14, 15 a pro vysoce zatížené motory z materiálu třídy 16, která vyniká velkou pevností a odolností proti opotřebení. Povrch čepu se cementuje nebo nitriduje do hloubky až 1,5 mm pro zvýšení únavové pevnosti. Požadavky na čep jsou: malá hmotnost, velká tuhost a odolnost proti opotřebení při špatném mazání. Odlehčení čepu se dělá nejčastěji kuželovým vybráním vnitřního otvoru. Proti vypadnutí čepu se pojišťuje pružnými kroužky v drážkách pístu, vůle mezi kroužkem a čepem bývá asi 0,5 mm.
Zvláštním typem uložení pístu je lichoběžníkové zkosení pístního oka ojnice a ok pístu. Tím dojde k překrytí a zvětšení dosedacích ploch, které snižuje ohybové namáhání čepu. Tento může být kratší a tedy lehčí. Vedení pístního čepu se tímto zlepší a zabrání se tedy jeho vzpříčení. Výroba takového provedení je ovšem náročnější a tak se toto provedení moc nepoužívá (zatím jsem se s ním v praxi nesetkal).
 

Praxe:

Písty mají vždy určenou montážní polohu, označenou na dně nebo stěně pístu. Nejčastěji se označuje šipkou, která udává smysl otáčení. Při výběru pístů (pokud nemáme k dispozici příslušnou sadu) dbáme na rozměrové a hmotnostní tolerance určené k příslušným válcům. Toleranční třídy se označují nejčastěji písmeny, musíme mít označené písty stejným písmenem. Při úpravě odlehčením dbáme na stejnou hmotnost všech pístů, nejdříve je všechny zvážíme a potom podle hodnoty nejlehčího ostatní upravíme. Pokud máte možnost strojního leštění, vyleštěte povrch dna pístu co nejvíce to půjde, kromě zvýšení odolnosti proti kavitaci se na něm méně usazují zbytky spalování. Pístní kroužky nasazujeme od třetího k prvnímu (směrem od pláště ke dnu pístu). Při montáži pístního čepu se někdy musí píst ohřát na teplotu mezi 80 a 100? C (u řady 105 – 130 ano, u Favorita není nutné). Pojistné kroužky čepu použijeme vždy nové. Píst a kroužky před montáži do válce řádně namažeme motorovým olejem, který budeme později v motoru používat. Přebytečný olej na dně pístu setřeme, zbytečně by se napaloval.

Pístní kroužky montujeme vždy nějakou značkou nebo označením TOP nahoru (ke dnu pístu). Pokud označení nemá, montuje se v libovolné poloze (symetrické provedení kroužku). Rozmístění zámků kroužků předepisuje výrobce a je vhodné ho dodržet, jen tehdy mají optimální funkci a maximální životnost. U dvoudobých motorů se používají tři stejné kroužky, stírací nemá význam. Tyto kroužky mají zámky upraveny tak, že je možné je namontovat jen do jedné polohy (v drážkách jsou aretující výstupky), aby nedošlo k otočení kroužků zámky do jednoho z kanálů, kde by se vzpříčily a způsobily havárii pístů. Závodní dvoudobé motory mají jen jeden kroužek o tloušťce asi 1 mm, ve vysokých otáčkách je jejich těsnící funkce dostačující.
O pístním čepu toho není moc co říci, jen dbát na správné usazení pojistných kroužků, při vypadnutí z drážky se dostanou kam nemají a během krátké doby vytvoří nádhernou drážku ve válci odshora až dolů.

Pokud se chystáte na GO nějaké 105 – 120, vyrábí se a jsou běžně k dostání sady pístů s vložkami typu Favorit, sice bez dilatačních vložek, ale se stejnou sestavou kroužků. Pokud ještě upravíte vodítka ventilů pro použití těsnících gufer a zajistíte motor proti úniku oleje okolo všech možných těsnění, spotřeba oleje přestane být měřitelná (vlastní zkušenost). Bohužel pro Š 130 se podobné písty nevyrábí, je možné použít sadu z Favorita (včetně vložek z kvalitnějšího materiálu) a snížit hlavu z důvodu dodržení kompresního poměru.

Jak se brousí surový odlitek pístu – upevní se do speciálního držáku v brousícím stroji, roztočí se a ohřívá se plamenem (plamen směřuje na dno pístu), až dno dosáhne teploty 350? C (zhruba provozní teplota pístu). Potom se brousí na požadovaný průměr. Po ochladnutí se jeho tvar změní na oválný a kuželový, což značí úspěšnost postupu. Dosažený tvar není úplně přesný, protože například ze strany, kde je umístěna svíčka, se píst ohřívá více a teplotní spád mezi touto a protilehlou stranou je až 100? C a tak by měl být píst nabroušen více asymetricky. Ovšem v praxi tento postup vyhovuje. Dále je možné píst galvanicky pocínovat. Cín zlepšuje kluzné vlastnosti pístu a zároveň v místech, kde dochází vlivem výrobních nepřesností k přidírání, se cín vysokou teplotou roztaví a setře se; v místech kde byla vůle před pocínováním větší, tuto zmenší.

Použití opravárenských kroužků firmy Goetze – většinou působí skvěle, ale krátkodobě a pro tzv. generálku je nedoporučuji, po několika málo tisících kilometrech (někdy i po stovkách km) se opět spotřeba oleje zvýší na neúnosnou mez. Zatím jsem těch úspěšných oprav těmito kroužky napočítal velmi málo, slovy jednu na Š 1000 MB (vydržely mu tam přes 20 000 km, potom auto prodal). Před takovou opravou si zkontrolujte stav válce v horní části, kam dobíhá první kroužek – pokud je v tom místě již znatelný zub (zjistit se dá nehtem), nemá cenu se o překroužkování pokoušet. Motor sice okamžitě přestane kouřit, ale po 500 km se vše vrátí do původního stavu. Osobně u škodovek vzhledem k ceně těchto kroužků (sada 800 – 1 000 Kč) je lepší provést celkovou GO motoru. Pozor – Goetze vyrábí i normální pístní kroužky pro prvovýrobu, při koupi je na to třeba upozornit prodejce, aby vám nedal jiný typ.
 

Škodovkářům zdar!

Autor článku: CJ (Jiří Čech)

zobrazit další autorovy články
upravit článek pro tisk

Komentáře k tomuto článku (75):




Hlavní menu:


















Hledání v článcích:

  pomoc?

Nejnovější články:

Jak to je s palivem E85
Zkušenosti z provozu vozidla Octavia Combi 1,9 TDi 81 kW
Montáž schránky pod přední sedačky Octavia II
Na brněnský Autosalon ZADARMO!
Oprava centrálního zamykání Felicia
Návod na montáž zadních repro do Octavia II
Výmena starej poistkovej skrinky vo Favorite za novú
Osvětlení vnitřních klik Octavia II
Montáž tempomatu a palubního počítače do Octavia II FL
MB 1000 a Š 100 (1964-1976)
 

 

© 1999-2012, Petr Váňa a Insidea s.r.o.
Jakýkoliv výňatek či přetisk obsahu serveru Škoda TechWeb může být použit jinde pouze s písemným svolením provozovatelů serveru, jež jsou uvedeni výše.


Doporučujeme: Nerezové komíny | Moderní umění | Ofsetový tisk | Ploty | Oplocení