Mục lục:

• Nhiệm vụ
• Ứng lực
• Hình dạng piston
• Vật liệu piston

Nhiệm vụ

• Làm kín buồng đốt đối với hộp trục khuỷu khi vận hành.
• Tiếp nhận áp lực khí sinh ra trong quá trình cháy và thông qua thanh truyền biến thành lực xoắn của trục khuỷu.
• Truyền phần lớn nhiệt lượng do khí cháy tạo ra trên đỉnh piston lên vách xy-lanh.
• Điều khiển trao đổi khí ở động cơ hai thì.

Ứng lực

Lực piston: Trong động cơ Otto, áp suất cháy lên đến 60 bar tác động lên đỉnh piston, sinh ra một lực piston lên đến 30.000 N với đường kính piston 80 mm. Bệ đỡ chốt chịu ứng lực từ chốt piston với áp lực bề mặt lén 60 N/mm².

Lực ngang: Piston bị ép qua lại lên vách xy-lanh. Áp suất ngang tác động lên thân piston đến 0,8 N/mm². Hiện tượng piston nghiêng lắc này tạo nên tiếng ồn. Tiếng ồn giảm đi khi khe hở piston nhỏ, thân piston dài và chốt piston lệch trục.

Lực ma sát: Thân piston, rãnh xéc măng và bệ đỡ chốt chịu ứng lực từ ma sát. Ma sát và hao mòn có thể được giảm thiểu nhờ chọn lựa vật liệu thích hợp, gia công mặt trượt cẩn thận và bôi trơn đầy đủ.

Sự biến dạng của piston: Những lực tác động lên piston tạo ra sự biến dạng. Đỉnh piston bị cong do áp lực khí. Vì lỗ chốt trong vùng thân piston tựa lên chốt nên piston ở phía áp lực và phía đối diện bị cong xuống dưới. Đường kính ở đây nhỏ hơn theo hướng áp lực và đối áp lực. Do tác động lực ngang, piston bị ép lên thành xy-lanh, do đó đường kinh theo chiều trục chốt piston đồng thời lớn ra. Áp suất cháy cực đại sinh ra làm đường kính phần dưới cùng thân piston thay đổi trong độ lớn cho phép của biên độ dơ khi lắp ráp. Mức cho phép ở động cơ Otto (động cơ xăng) là 0,15% và ở động cơ diesel là 0,07%.

Hình dạng piston

Khi vận hành, để đạt được độ hở piston định trước và dạng hình trụ của piston, ba biện pháp sau đây được thực hiện:

• Dạng bầu dục: Đường kính theo hướng áp lực và đối áp lực lớn hơn đường kính theo hướng trục chốt. Sự biến dạng của piston do tác động lực được cân bằng.
• Vòng cầu: Qua đó phần trên piston nhỏ hơn và những giãn nở nhiệt khác nhau được cân bằng.
• Thay đổi độ dày thành: Qua độ dày thành khác nhau, có thể đạt được việc điều hướng những áp lực và nhiệt, khiến dạng hình trụ của piston khi vận hành được bảo đảm.
• Độ hở lạnh: cho thấy hình dạng của piston trong tình trạng lạnh. Độ hở giữa piston và xy-lanh có độ lớn khác nhau.
  Do dạng bầu dục, piston có độ hở theo chiều trục chốt lớn hơn độ hở trong mặt lật. Thí dụ ở thân piston là 0,088 mm theo chiều trục chốt và 0,04 mm theo chiều vuông góc với trục này. Độ hở nhỏ nhất này là độ hở lắp ráp vì tại đây piston có đường kính lớn nhất (đường kính định danh). Lên phía trên, piston nhỏ hơn trong cả hai mặt (vòng cầu).

Độ hở lắp ráp: là sai biệt giữa đường kính xy-lanh và đường kính lớn nhất của piston.

Vật liệu piston

Do chịu ứng lực ở nhiều dạng khác nhau nên vật liệu cần có những đặc tính sau đây:

• Khối lượng riêng nhỏ (lực gia tốc nhỏ hơn)
• Độ bền cao (cũng ở nhiệt độ cao hơn)
• Khả năng dẫn nhiệt tốt
• Độ giãn nở nhiệt ít
• Ma sát nhỏ
• Chống hao mòn lớn

Vì có khối lượng riêng nhỏ (  ≈ 2,7 kg/dm³) và khả năng dẫn nhiệt cao nên piston bằng hợp kim silic- nhôm được sử dụng. Thành phần silic càng cao thì độ giãn nở nhiệt và hao mòn càng ít. Piston phần lớn được chế tạo từ hợp kim AlSil₂CuN qua đúc khuôn. Để chịu được ứng lực nhiệt cao, AlSi₁₈CuNi hay AlSi₂₅CuNi được sử dụng. Piston chịu áp suất rất cao được gia công đúc nén (tôi rèn).



Xem tiếp:
Cấu tạo động cơ: Piston (Phần 2)
Cấu tạo động cơ: Piston (Phần 3)