پیستون چیست ؟!

مقدمه :

متداول ترین و پرکاربرد ترین شکل موتورهای احتراقی ، موتورهای احتراق داخلی مدل پیستونی می باشد ، در این مدل یک محفظه احتراق بسته وجود دارد که از بغل توسط جداره های سیلندر ، از بالا به وسیله سر سیلندر و از پایین توسط پیستون محصور شده است. هنگامی که احتراق درون این محفظه احتراق بسته رخ می دهد گازهای حاصل از احتراق، منبسط گردیده و پیستون به عقب رانده می شود. حرکت خطی پیستون نیز درون بلوک سیلندر و بوش سیلندر از طریق شاتون به میلنگ منتقل شده و باعث حرکت دورانی ان و ایجاد گشتاور مکانیکی می شود. موتورهای احتراق داخلی پیستونی بر اساس نوع سیکل کاری موتور و سیستم سوخت رسانی به دو گروه موتورهای اشتعال جرقه ای و موتور اشتعال تراکمی (دیزل) تقسیم بندی می شود.

موتور‌های احتراق داخلی متشکل از مجموعه از قطعات مختلف با خصوصیات متفاوت می باشد که برای عملکرد بهتر وجودشان لازم و حیاتی. یکی از این قطعات که در همه ی موتور احتراقی دیده می‌شود و جزء جدایی‌ناپذیر آن‌ها به شمار می‌رود، پیستون است. این حضور ثابت و همیشگی از اهمیت و نقش آن‌ها در عملکرد خودرو تاثیر می‌گیرد. یک سوال ایجاد می شود ، پیستون چیست و چه نقشی در عملکرد موتور خودرو بازی می‌کند؟

پیستون قطعه‌ای استوانه‌ای شکل و توخالی است که یک سرش بسته و سر دیگرش باز است. معمولاً طول این استوانه کمی بیشتر از قطرش است. البته قطر پیستون در سطح پایینی آن یعنی سطح بازش کمی کمتر از سطح بالایی آن طراحی می‌شود. این قطعه که عمل رفت و برگشت را درون سیلندر موتور (بوش سیلندر) انجام می‌دهد، منجر به تراکم مخلوط سوخت و هوا می‌شود و این مخلوط را برای فرایند احتراق آماده می‌سازد. فشار حاصل از احتراق باعث به حرکت در آوردن آن می شود ، این فشار آنقدر زیاد است که باعث اعمال نیرویی در حدود 18 کیلو نیوتن به پیستون می شود.

هنگامی که موتور در شرایط نرمال کار می کند ، این نیرو در هر ثانیه در حدود 30 مرتبه به پیستون اعمال می شود. اعمال نیروهای بیش از حد به پیستون و حرارت ناشی از احتراق می تواند باعث افزایش دمای برخی از قسمت های کف پیستون تا حدود 2200 درجه سانتی گراد شود.

پیستون یکی از اجزای متحرک موتور است که دارای حرکت خطی رفت و برگشتی می باشد. سرعت حرکت پیستون در نقاط مرگ بالا و پایین به صفر رسیده و متوقف می شود، به طوری که امکان تغییر جهتجهت حرکت وجود داشته باشد، اما بیشترین سرعت پیستون هنگامی ایجاد می شود که در حال عبور از نقطه وسط کورس خود باشد. به همین دلیل سرعت پیستون یک سرعت غیر یکنواخت است که محاسبه سرعت لحظه ای آن کار بسیار دشواری می باشد.

            پیستون‌ها معمولا سبک ساخته می‌شوند و همجنین باید بتواند انتقال حرارت بالایی داشته باشد چرا که ممکن است بالا رفتن دمای آن تحت تاثیر دمای محفظه‌ احتراق منجر به چسبیدنش به دیواره‌ سیلندر و یا بوش سیلندر و اخلال در عملکرد موتور شود. وظیفه دیگر پیستون کمک به خروج دود ناشی از احتراق از سیلندر می باشد. همچنین حرکت خطی بالا به پایین آن ایجاد کننده نیروی موتور است به این ترتیب که با پایین آمدن پیستون بر اثر فشار گازهای ناشی از احتراق درون سیلندر باعث انتقال نیرو به شاتون  و از شاتون به میل‌لنگ می شود. پیستون در سر بازش که سطح پایینی آن است به شاتون و میل‌لنگ متصل است. دیواره‌ پیستون در این سطح پایینی گرد و به شکل بیضی طراحی می‌شود که ضمن فراهم آوردن حرکت آسانش در سیلندر، پس از انبساط این قطعه در اثر حرارت بالای محفظه‌ احتراق، کاملا فرم استوانه به خود می‌گیرد. سطح بالایی پیستون نیز با محفظه‌ احتراق در تماس است.

نکته مهم در طراحی پیستون قطر پیستون می باشد که باید طوری در نظر گرفته شود که نسبت به سیلندر لقی لازم را داشته باشد و به راحتی در آن حرکت کند. فاصله‌ سیلندر و پیستون را که همان لقی پیستون می‌گویند توسط روغن پر می شود که باعث حرکت روان پیستون داخل سیلندر می شود. در موتور ها به تعداد سیلندر، پیستون وجود دارد . توان و قدرت موتور با تعداد سیلندر رابطه مستقیم دارد یعنی هرچه تعداد سیلندر بیشتر باشد، قدرت موتور هم بیشتر خواهد بود.

معمولاً جنس پیستون از آلیاژهای تقویت شده آلومینیوم می باشد که به روش های فورج و یا ریخته گری تولید می شود. البته در مرحله نهایی تولید به منظور افزایش استحکام پیستون ، عملیات حرارتی نیز بر روی ان انجام می گردد. علت استفاده از آلومینیوم سبک بودن آن می باشد ولی از آنجایی که آلومینیوم خالص فلز نرمی می باشد ضرورت دارد که به منظور افزایش استحکام بیشتر از عناصر آلیاژی نیز استفاده شود و در نهایت نیز سطح پیستون را با موادی همچون قلع و یا کادمیوم پوشش دهند گاهی اوغات نیز در پیستون از تیغه محافظ اینوار استفاده می شود. فلز اینوار نوعی آلیاز فولاد نیکل  دار است که می تواند از انبساط پیستون آلومینیومی جلوگیری نماید.

اندازه و وزن پیستون ها معمولاً در یک حد مشخصی می باشد. به جز در موارد خاص، اگر نیاز باشد که حجم موتور افزایش چشمگیری داشته باشد ، بیشتر از افزایش تعداد سیلندرها استفاده می شود. زیرا هر چقدر پیستون بزرگتر باشد به ان گشتاور بیشتری وارد می شود و در اثر تغییر شکل ناشی از ان عمر پیستون کم می شود. از سوی دیگر بزرگتر بودن ابعاد پیستون به معنای بیشتر بودن انبساط و انقباض حرارتی نیز می باشد که با توجه به اهمیت تلرانس های ابعادی، بزرگ بودن بیستون وضعیت مناسبی نمی باشد. معمولاً قطر پیستون را بین 74 الی 128 میلیمتر و وزن آن را در حدود 450 گرم در نظر می‌گیرند. البته این مقادیر کاملاً تقریبی می باشد و ممکن است در طراحی های مختلف از ابعاد بزرگتر و کوچکتر استفاده شود.

ضرورت دارد که وزن پیستون های یک موتور با هم برابر باشد زیرا در غیر این صورت توازن میل‌لنگ به هم خورده و موتور دچار لرزش می شود. از سوی دیگر به منظور حرکت آسان پیستون در داخل بوش سیلندر لازم است یک تلرانس لقی وجود داشته باشد. میزان این لقی معمولاض بین 0.025 الی 0.1 میلیمتر می باشد که هنگام کارکردن موتور این لقی به وسیله لایه ای از روغن پر می شود.