Paskelbimo data: 2021-04-29

Stūmoklio stiprumo ribos: aliuminis ar plienas?

Iš konstruktorių tikimasi, kad variklių nuosavas svoris vis mažės, o jų efektyvumo parametrai vis gerės. Kokios yra stūmoklių stiprumo ribos, kurie, beje, yra vienos labiausiai apkrovų veikiamų variklio dalių?

aliuminis ar plienas.jpg
Nenumaldomos varžybos dėl kuro įpurškimo ar pripūtimo slėgio padidinimo lemia slėgį virš stūmoklio ir šiluminių bei mechaninių stūmoklių įtempių didinimą. Galiausiai, dyzeliniuose varikliuose su tiesioginiu kuro įpurškimu visa degimo kamera yra stūmoklyje. Ją veikiantis slėgis ir vyraujanti temperatūra lemia, iš kokios medžiagos ji turi būti pagaminta. Prieš kelis dešimtmečius komercinių transporto priemonių mažo greičio dyzeliniuose varikliuose stūmokliai buvo gaminami iš ketaus, vėliau – iš plieno. Didėjant maksimaliam variklio sūkių skaičiui, stūmokliai buvo pradėti gaminti iš aliuminio lydinių. Aliuminio stūmoklių privalumai – tai mažesnis svoris, kuris yra svarbus esant dideliam cilindre judančio stūmoklio greičiui, ir geresnis šilumos laidumas, palyginti su plieniniais stūmokliais.

Tačiau abi šios medžiagos – plienas ir aliuminis – turi ir ne tik savų privalumų, bet ir trūkumų. Jų sujungimas viename stūmoklyje atrodė tobulu sprendimu. Taigi prieš 20 metų pasirodė vadinamieji dviejų dalių „Mahle“ stūmokliai „Ferrotherm“® , kuriuose kaltinio plieno dugnas buvo sujungtas su kreipiamąja dalimi iš aliuminio. Dėl to dugnas pasižymėjo dideliu atsparumu aukštai temperatūrai, stūmokliai buvo atsparūs aukštam paviršiaus slėgiui tarp įvorės ir stūmoklio sienelių. Šiuos stūmoklius daugelis gamintojų naudojo pirmajam montavimui naujuose varikliuose – „Volvo“, „Scania“, „Detroit Diesel“ ir „Caterpillar“. Deja, mažesnis šilumos laidumas, palyginti su aliuminiu, yra plieno trūkumas, tad aušinimas, ypač stūmoklio galvutės, vaidina ypač svarbų vaidmenį. Dėl šios priežasties plieniniuose stūmokliuose yra naudojamas aušinimo kanalas, į kurį aušinimo tikslais purškiama variklio alyva, arba plieninės elastingos plokštelės. „Ferrotherm“ stūmokliuose papildomai naudojamas šiluminis tarpas tarp plieno ir aliuminio dalių. Beje, norėčiau atkreipti dėmesį į tai, kad „Ferrotherm“ stūmokliai remonto rinkiniuose yra pristatomi išardyti. Montuojant reikia laikytis tinkamos krypties – viršutinė ir kreipiančioji stūmoklio dalys turi būti montuojamos tik viena kryptimi.


Ar plieninis stūmoklis vis dėlto stipriau?





Prieš kelerius metus konstruktoriai vėl atrado plieninių stūmoklių pranašumus, o tam padėjo šiuolaikinės gamybos technologijos. Pasak įmonės „Federal Mogul“ specialistų, jei cilindro skersmuo yra iki 120 mm, rekomenduojama naudoti stūmoklius iš aliuminio lydinių. Plieniniai stūmokliai naudojami cilindruose, kurių skersmuo yra didesnis nei 130 mm. Tačiau palaipsniui stiprėja plieninių stūmoklių naudojimo tendencija ir mažesnio skersmens cilindruose, ypač jei slėgis viršija 210-220 barų.

Kodėl grįžtama prie plieninių stūmoklių? Plieniniai stūmokliai pasižymi didesniu mechaniniu stiprumu, taip pat atlaiko aukštesnę temperatūrą (virš 400 °C) ir gali būti žemesni (atstumas nuo strypo ašies iki stūmoklio galvutės), palyginti su aliuminio stūmokliais. Pasak įmonės „Mahle“ specialistų, iš aliuminio lydinių pagaminti stūmokliai degimo kameroje atlaiko temperatūrą tik iki 360 °C, o įpurškimo slėgį – iki 170 barų. Šilumos požiūriu, kuo aukštesnė temperatūra degimo kameroje, taigi ir stūmoklio galvutės temperatūra, tuo didesnis degimo proceso efektyvumas dyzeliniame variklyje. Rinkdamasis plieninius stūmoklius, konstruktorius gali taikyti aukštesnes galvutės temperatūras, nei aliuminio stūmoklių atveju. Tačiau ribą sudaro temperatūra, kurioje variklio alyva suanglėja ir pradeda kauptis nuosėdos.

Kitas plieninių stūmoklių privalumas yra mažesnis plieno šiluminio plėtimosi koeficientas, palyginti su aliuminiu, todėl tarp stūmoklio ir cilindro sienelės gali būti mažesnis tarpas. Tai teigiamai paveikia išmetamose dujose esančių teršalų kiekį. o šiais laikais išmetamųjų dujų švara yra svarbus prioritetas.
Plieninis stūmoklis visai neturi būti sunkesnis už aliuminio stūmoklį. Įmonė „Kolbenschmidt“ sėkmingai naudoja vienos dalies plieninių stūmoklių gamybos technologiją, vadinamą „Steelteks“, sudarančią galimybę išgauti smulkią kristalinę medžiagos struktūrą, kuri, esant plonesnėms sienoms, yra labai tvirta ir pasižymi mažesniu nuosavu svoriu.

„Mahle“ sukūrė net keturis skirtingus plieninių stūmoklių modelius, iš kurių populiariausias yra „Monotherm“ vientisas plieninis stūmoklis. Jo ištakos – dviejų dalių „MonoGuide“ stūmoklis, skirtas varikliams su aliuminio korpusu. Jei slėgis neviršija 200 barų, rekomenduojama naudoti „MonoWeld“® stūmoklius, gaminamus frikcinio suvirinimo būdu. Naujovė yra dviejų ar net trijų dalių plieniniai stūmokliai. Šiuo atveju vietoje plieno ir aliuminio derinio yra naudojamas skirtingų savybių plienas - dažnai viršutinė dalis yra termiškai apdoroto plieno, o apatinė – liejinys. Atskiros dalys tarpusavyje sujungiamos frikcinio suvirinimo būdu – ši gamybos technologija yra labai populiari ir palyginti nebrangi. Varikliams, kuriuose vyrauja didelės apkrovos, yra gaminami trijų, sriegiu sujungtų dalių stūmokliai „MonoXcomp“®. „Federal Mogul“ gamina plieninius „Monosteel“ stūmoklius, sudarytus iš dviejų skirtingų medžiagų ir sujungtus frikcinio suvirinimo būdu.


O gal vis dėlto aliuminis stūmoklis?




Aliuminio stūmokliai vis dar yra naudojami ir ne tik dėl mažesnių mechaninio apdirbimo kaštų. Šiuolaikiniai stūmokliai yra gaminami iš aliuminio ir silicio lydinių. Kaip tikina pati įmonė, jos gaminami aliuminio stūmokliai atlaiko maksimalų maždaug 200 barų slėgį ir milijono kilometrų transporto priemonės ridą.
Kadangi kyla kameros kraštų ir pagrindo įtrūkimo pavojus, aliuminio stūmoklių ilgaamžiškumas lemia degimo kameros atsparumą temperatūrai ir slėgiui. Įmonė „Federal-Mogul“ netgi sukūrė procesą „DuraBowl“, kurį sudaro pakartotinis jau pagaminto stūmoklio krašto išlydymas ir labai greitas atvėsinimas. Susidaręs aliuminio sluoksnis susiformuoja iš labai smulkių, iki vieno dešimtadalio pradinio dydžio, silicio grūdelių, o tai žymiai pagerina stūmoklio liejinio ilgaamžiškumą. Panašų rezultatą pasiekė ir įmonė „Kolbenschmidt“, kuri sukūrė naują aliuminio lydinį, paslaptingai pavadintą V4. Šiuo atveju, aliuminio stūmokliai atlaiko iki šiol nepasiekiamą 400 °C temperatūrą. Kita „Federal-Mogul“ idėja yra stūmoklio apačioje esančios degimo kameros apsaugojimas danga, kurios chromo sluoksnyje yra nanodeimantų, atspindinčių šilumą ir sumažinančių laipsnišką dugno krašto dėvėjimąsi.

Aliuminio stūmokliuose svarbus vaidmuo tenka viršutinės dalies aušinimui. Gamintojai naudoja skirtingus aušinimo būdus, dažniausiai – specialius variklio alyva aušinamus kanalus, esančius kuo arčiau stūmoklio žiedų. Naudojami kintamo skerspjūvio („Kolbenschmidt“) arba pakopinio skerspjūvio kanalai, kuriuose alyva mechaniškai pumpuojama stūmoklio judesiu. Dėl matmenų pakartojamumo užtikrinimo, masinės gamybos procese sunku atlikti alyvai skirtus kanalus. „Federal Mogul“ parengė 2D ultragarsinių bandymų sistemą, suteikiančią galimybę per 30 sekundžių patikrinti kanalų atlikimo kokybę ir taip sumažinti galimų nusiskundimų skaičių.

Dėl stūmoklio judėjimo būdo, stūmoklis kartu su žiedais generuoja didelius mechaninius variklio nuostolius. „Federal Mogul“ plieniniuose ir aliumininiuose stūmokliuose naudojama „EcoTough Diesel“ dangą, kuri iki 13 % sumažina trintį tarp stūmoklio paviršiaus ir cilindro, palyginti su įprastomis grafito dangomis. Trintis tarp sandarinimo žiedo ir cilindro sudaro 25 % visų variklio mechaninių nuostolių, o tai atitinka maždaug 4 % degalų sąnaudų. Todėl gamintojai naudoja įvairius stūmoklių žiedų paviršiaus apdorojimo metodus, kuriais siekiama sukurti atsparią dilimui dangą ir tuo pačiu sumažinti trintį (pavyzdžiui, „Federal Mogul“ danga „DuroGlide“®). Visuose stūmokliuose taikomas labai tikslus strypų skylių paruošimo būdas. „Federal-Mogul“ sukūrė apdirbimo procesą, kuriame naudodama labai tiksli elektroerozijos (EDM) įranga. Į skylę įkišama spalvotųjų metalų lydinio įvorė, kuri yra su stūmoklio strypu bendradarbiaujantis elementas. Moderniausiose konstrukcijose strypas yra padengtas kitokiu metalu, kuris pagerina stūmoklio ir kaiščio tarpusavio sąveiką.

Stūmoklis tapo gana sudėtingu gaminiu, panašiai kaip ir visas variklis, kurio dienos deja yra suskaičiuotos. Stūmoklių gamintojai tikriausiai jau mąsto, ką jie gamins, kai stūmoklinių variklių paklausa pradės mažėti.





Jus taip pat gali sudominti:

Koks turi būti tinkamas sunkvežimio sankabos keitimas?

Koks turi būti tinkamas sunkvežimio sankabos keitimas?

„Laufenn“ pristato naują sunkvežimių padangų asortimentą

„Laufenn“ pristato naują sunkvežimių padangų asortimentą

Transportininkų rekviem 2020-iesiems

Transportininkų rekviem 2020-iesiems

Netinkami priedai: poveikis oro kondicionieriaus kompresoriui

Netinkami priedai: poveikis oro kondicionieriaus kompresoriui