K t c u â üng c - Ch ng 4: K t c u tênh toạn nhọmãú áú ä å ỉå ãú áú
Piston
PHÁƯN THỈÏ HAI: KÃ ÚT C Á ÚU V TÊNH KIÃ ØM NGHIÃÛM
SỈÏC BÃƯN CẠC CHI TIÃ ÚT CHÊNH CA Â Ä Ü N G C Å Â Ä Ú T TRONG
Chỉ å n g 4: KÃ ÚT C Á ÚU V TÊNH TOẠN NHỌM PISTON
Nhãm pitt«ng gåm cã pitt«ng, chèt pitt«ng, xÐc m¨ng khÝ, xÐc m¨ng dÇu, vßng
h·m chèt. Trong ®éng c¬ tÜnh t¹i tµu thủ c«ng st lín ngoµi nh÷ng chi tiÕt m¸y kĨ
trªn cßn cã thĨ cã thªm c¸n pitt«ng , gc trỵt vv...
Trong qu¸ tr×nh lµm viƯc nhãm pitt«ng cã c¸c nhiƯm vơ chÝnh sau ®©y:
1.T¹o thµnh bng ch¸y vµ bao kÝn bng ch¸y, ng¨n kh«ng cho khÝ ch¸y lät
xng c¸c te vµ ng¨n kh«ng ®Ĩ dÇu nhên sơc lªn bng ch¸y.
2.TiÕp nhËn lùc khÝ thĨ vµ trun lùc cho thanh trun lµm quay trơc khủu
(trong qu¸ tr×nh ch¸y vµ gi·n në); nÐn khÝ trong qu¸ tr×nh nÐn vµ trong qu¸
tr×nh n¹p th¶i nhãm pitt«ng cã t¸c dơng nh mét b¬m hót vµ ®Èy.
3.Trong ®éng c¬ hai kú nhãm pitt«ng cßn cã t¸c dơng nh mét van trỵt ®ãng
më lç qt th¶i.
m 4.1 PISTON
I. Nhiãûm vủ v âiãưu kiãûn lm viãûc ca Piston:
Ti p nh ûn l ûc khê th truy n cho thanh truy n vẫú á ỉ ãø ãư ãư ì
cu ng v ïi cạc chi ti t khạc tảo tha nh bu ng chạy.ì å ãú ì äư
Ta i trng c hcí å
Ta i trng nhi ûtí ã
Ma sạt va àn mo n.ì ì
Pitt«ng lµ mét chi tiÕt m¸y quan träng cđa ®éng c¬. Trong qu¸ tr×nh lµm viƯc,
pitt«ng chÞu t¶i träng c¬ häc vµ t¶i träng nhiƯt rÊt lín, ¶nh hëng xÊu ®Õn ®é bỊn,
ti thä cđa pitt«ng.
Do lùc khÝ thĨ vµ lùc qu¸n tÝnh g©y nªn. Lùc khÝ thĨ cã trÞ sè lín (cã khi ®Õn
10 - 12 MPa hc cao h¬n n÷a) vµ biÕn thiªn ®ét ngét, lùc qu¸n tÝnh còng cã trÞ sè
lín (2 - 3 MPa) biÕn thiªn theo chu kú. Hỵp lùc cđa lùc khÝ thĨ vµ lùc qu¸n tÝnh g©y
nªn va ®Ëp d÷ déi, lµm cho pitt«ng biÕn d¹ng vµ ®«i khi ph¸ háng pitt«ng.
Do tiÕp xóc víi khÝ ch¸y cã nhiƯt ®é rÊt cao (2300 - 2700

0
K) nªn nhiƯt ®é
phÇn ®Ønh pitt«ng thêng rÊt cao (500 - 800
0
K). NhiƯt ®é cao g©y nªn bã pitt«ng, r¹n
1
K t c u â üng c - Ch ng 4: K t c u tênh toạn nhọmãú áú ä å ỉå ãú áú
Piston
nøt cơc bé, ph©n hủ dÇu nhên, lµm gi¶m hƯ sè n¹p vµ dƠ sinh kÝch nỉ (®èi víi ®éng
c¬ x¨ng).
Trong qu¸ tr×nh lµm viƯc, bỊ mỈt th©n pitt«ng chÞu lùc ma s¸t lín, b«i tr¬n
kÐm. §Ønh pitt«ng thêng bÞ ¨n mßn ho¸ häc do c¸c thµnh phÇn axit sinh ra trong qu¸
tr×nh ch¸y vµ gi·n në.
Kãút c á ú u ca piston phi tho mn:
Do ®iỊu kiƯn lµm viƯc nh thÕ nªn khi thiÕt kÕ pitt«ng cÇn ®¶m b¶o c¸c ®iỊu
kiƯn kü tht sau ®©y:
1. Pitt«ng cïng víi n¾p xilanh t¹o thµnh d¹ng bng ch¸y tèi u, bao kÝn
tèt.
2. T¶n nhiƯt tèt ®Ĩ tr¸nh kÝch nỉ (®éng c¬ x¨ng) vµ t¨ng hƯ sè n¹p, gi¶m
øng st nhiƯt.
3. Cã ®é bỊn cao vµ khèi lỵng nhá.
II. Vá û t liã û u ch ã ú ta ûo Piston:
Y u c u chung v ût li ûu: B n c hc, b n nhi ût. Trngã áư á ã ãưì å ãư ã
l üng ri ng nho . H û s dn da i nho , h û s d ùn nhi ûtỉå ã í ã äú ì í ã äú á ã
l ïn. Chëu àn mo n va ma i mo n.å ì ì ì ì
Thẹp : Cọ th ch tảo mo ng va nhẻ nh ng d ùn nhi ûtãø ãú í ì ỉ á ã
kẹm n n nhi ût â ü âènh cao va khọ âục n n hi ûn nay êtã ã ä ì ã ã
du ngì .
Gang h å ü p kim: Gang hỵp kim thêng chØ dïng ®Ĩ chÕ t¹o pitt«ng cđa ®éng
c¬ ®iªden tèc ®é thÊp c«ng st lín. Gang hỵp kim thêng gåm c¸c lo¹i: Gang x¸m,

gang rÌn, gang graphÝt cÇu nhng hay dïng nhÊt lµ gang x¸m hỵp kim nh c¸c lo¹i
GX 15 - 32, GX 24 - 44, GX 28 - 48.
Lo¹i gang hỵp kim nµy cã kh¸ nhiỊu u ®iĨm:
∗ Søc bỊn c¬ häc cao, ®é bỊn nhiƯt lín (cã lo¹i ®¹t ®Õn σ
B
= 320
MN/m
2
; σ
H
= 520 MN/m
2
; ®Õn 400
0
C søc bỊn chØ gi¶m 18%)
∗ HƯ sè d·n dµi nhá α = 11 - 12.10
-6
∗ TÝnh c«ng nghƯ ®óc vµ gia c«ng c¬ kh¸ tèt
∗ RỴ tiỊn
2
K t c u â üng c - Ch ng 4: K t c u tênh toạn nhọmãú áú ä å ỉå ãú áú
Piston
Tuy vËy gang hỵp kim còng tån t¹i nhiỊu nhỵc ®iĨm:
∗ Khèi lỵng riªng lín: γ = 70 - 80 kg/dm
3
∗ HƯ sè dÉn nhiƯt bÐ: λ = 37 - 54,5 w/m.
0
C
∗ ë nhiƯt ®é cơc bé vỵt qu¸ 723
0

C tỉ chøc pÐclÝt ph©n gi¶i thµnh
pherit vµ ostenÝt nªn dƠ g©y r¹n nøt tÕ vi.
Do nh÷ng nhỵc ®iĨm nµy mµ trong ®éng c¬ tèc ®é cao vµ t¶i träng nhiƯt lín
thêng kh«ng dïng pitt«ng gang.
Gang xạm, gang de o hồûc gang c u. u âi m cọ s ïcí áư Ỉ ãø ỉ
b n nhi ût va b n c hc cao, h û s dn da i nho n n khọãư ã ì ãư å ã äú ì í ã
bọ kẻt, d ù ch tảo va re nh ng nh üc âi m la nàûng n nã ãú ì í ỉ ỉå ãø ì ã
l ûc quạn tênh l ïn, d ùn nhi ût kẹm. Khi nhi ût â ü âènh cao d ùỉ å á ã ã ä ã
xa y ra v t n ït do chuy n bi n pha Pẹclêc -í ãú ỉ ãø ãú  Ostennêt + Ferits.
Loải
gang
σ
B
/ σ
u
H û s dnã äú
da i ì λ
ü c ïngÂä ỉ Tênh c ngä
ngh ûã
Gang
xạm
320MN/m
2
;5
20
11-12 A
o
/
o
C 195-225 HB T t, rệú í

Gang
de
197-245
Gang
c ư
500 170-220
Nhäm hå ü p kim: Ngµy nay hỵp
kim nh«m sau cïng tinh (cã thµnh phÇn
Si vỵt qu¸ 12%) ®ỵc dïng rÊt phỉ biÕn
®Ĩ chÕ t¹o pitt«ng cđa ®éng c¬ cao tèc.
Lo¹i hỵp kim nµy cã c¸c u ®iĨm
lín sau:
∗ Hỵp kim nh«m cã khèi
3
K t c u â üng c - Ch ng 4: K t c u tênh toạn nhọmãú áú ä å ỉå ãú áú
Piston
lỵng riªng nhá h¬n gang rÊt nhiỊu nªn pitt«ng nhĐ, lùc qu¸n tÝnh
nhá. γ = 18,2 - 29,7 kg/dm
3
∗ HƯ sè dÉn nhiƯt lín λ = 126 - 175 W/m.
0
C nªn nhiƯt ®é ®Ønh
pitt«ng thêng thÊp (kho¶ng 250
0
C). Trong khi ®ã ®Ønh pitt«ng
gang thêng ®¹t 450
0
C. NhiƯt ®é ®Ønh pitt«ng thÊp rÊt cã lỵi v× t¨ng
®ỵc hƯ sè n¹p, gi¶m lỵng mi trªn ®Ønh, Ýt bÞ kÝch nỉ, ...
∗ TÝnh c«ng nghƯ ®óc vµ gia c«ng rÊt tèt.

Hỵp kim nh«m cã c¸c nhỵc ®iĨm sau:
∗ HƯ sè d·n dµi lín h¬n cđa gang, lo¹i hỵp kim nh«m SilÝc sau cïng
tinh cã thµnh phÇn SilÝc cao (20%) th× hƯ sè d·n dµi α = 18.10-6 .
T¨ng thµnh phÇn SilÝc nh«m cµng cøng, tÝnh lu ®éng kÐm vµ khã
gia c«ng.
∗ Hỵp kim nh«m ®¾t tiỊn h¬n gang
Trng l üng nho (2,7 - 2,8kG/cmỉå í
3
), h û s d ùn nhi ût l ïnã äú á ã å
(λ = 126 - 175 W.m/
o
C). ü b n th p h n hai loải tr n ( Âä ãư áú å ã σ
k
=
440MN/m
2
), â ü dn da i l ïn (17-25 ì å
o
/
o
C). gia m â ü dnÂãø í ä
da i ng i ta th ng th m Si va o trong h üp kim nh m do v û ỉåì ỉåì ã ì å ä á
cọ ba h: Al - Si tr ïc cu ng tinh <12%Si, cu ng tinh =12%Si, saå ì ì
cu ng tinh >12%Si. N u % Si l ïn g y khọ âục do l u â üng kẹm,ì ãú å á ỉ ä
â ü c ïng cao, hao mo n dủng củ cà t gt l ïn (hản ch vi ûcä ỉ ì õ å ãú ã
sa n xu t t û â üngí áú ỉ ä ).
III. Â à û c âi ã ø m kã ú t c á ú u ca Piston :
∗ G m ba ph näư áư : §Ønh pitt«ng - PhÇn t¹o thµnh bng ch¸y.
∗ §Çu pitt«ng - Bao gåm phÇn ®Ønh vµ phÇn ®ai xÐc m¨ng bao kÝn bng
ch¸y.

∗ Th©n pitt«ng - PhÇn dÉn híng cđa pitt«ng.
1. Â è n h :
§Ønh pitt«ng cã rÊt nhiỊu kiĨu d¹ng, chđ u lµ phơ thc vµo kiĨu lo¹i bng
ch¸y, kiĨu lo¹i ®éng c¬.
Tảo bu ng chạy t t, Di ûn têch ta n nhi ût nho , li n k täư äú ã í ã í ã ãú
v ïi ph n â u v ïi gọc l ün l ïn â ta n nhi ût t t, ph áư áư å ỉå å ãø í ã äú ì
4
K t c u õ ỹng c - Ch ng 4: K t c u tờnh toaùn nhoùmóỳ ỏỳ ọ ồ ổồ óỳ ỏỳ
Piston
h ỹp v ùi vi ỷc b trờ xupaùp, vo i phun, bugi...ồ ồ ó ọỳ ỡ
Khi thiết kế đỉnh pittông cần đảm bảo các yêu cầu sau đây:
Đỉnh phải có hình dạng thích hợp, tạo thành khí hỗn hợp tốt (tạo xoáy
lốc, phân bố khí nạp, hợp với dạng chùm tia phun, có chỉ tiêu kinh tế
cao...)
Có tỷ số F/V nhỏ để giảm tổn thất nhiệt.
Tản nhiệt tốt (có bán kính lợn lớn, gân tản nhiệt vv...)
Tránh va chạm với vòi phun, xupáp... khi pittông ở điểm chết trên.
2. ỏ ử u:
Trong quá trình làm việc, đầu pittông phải đảm bảo bao kín buồng cháy và dẫn
nhiệt ra khỏi đỉnh, đảm bảo nhiệt độ của đỉnh pittông không cao quá trị số cho phép.
Ta n nhi ỷt: ốnh da y hoỷc mo ng coù g n ta n nhi ỷt;ớ ó ỡ ớ ỏ ớ ó
Raợnh ch n nhi ỷt; B trờ xeùc mng khờ th ù nh t g n d ngừ ó ọỳ ổ ỏỳ ỏử ổồỡ
la m maùt; a d u la m maùt d ùi õốnh; gia i phaùp c ng ngh ỷ.ỡ ổ ỏử ỡ ổồ ớ ọ ó
Bao kờn:S l ỹng xeùc mng; Khe h gi ợa õ u va xiọỳ ổồ ồớ ổ ỏử ỡ
lanh; Khe h mi ỷng xeùc mngồớ ó .
S ùc b n: du ng g n d ùi õốnh va g n v ùi b ỷ ch tổ óử ỡ ỏ ổồ ỡ ỏ ồ ó ọỳ .
Vấn đề dẫn nhiệt và tản nhiệt:
Trong quá trình làm việc, đầu pittông tiếp xúc với khí cháy nên nhiệt độ rất
cao. Nhiệt lợng truyền cho đầu pittông có khi đạt tới 7 - 8% tổng nhiệt lợng do khí
cháy sinh ra. Vì vậy phải truyền dẫn phần lớn nhiệt lợng này qua xéc măng, qua

vách xilanh rồi truyền cho nớc làm mát, một phần nhỏ khác truyền cho dầu nhờn
phía dới đỉnh pittông.
Nếu không giải quyết tốt vấn đề này, pittông rất dễ bị bó trong xilanh, gây nên
hậu quả nghiêm trọng.
Các biện pháp thờng dùng để giải quyết vấn đề truyền dẫn nhiệt thờng là:
a) - Chọn bán kính góc lợn từ đỉnh đến đầu pittông có trị số thích đáng.
b) - Bố trí các gân tản nhiệt phía dới đỉnh.
c) - Chọn vị trí xéc măng thứ nhất thoả đáng.
5
K t c u õ ỹng c - Ch ng 4: K t c u tờnh toaùn nhoùmóỳ ỏỳ ọ ồ ổồ óỳ ỏỳ
Piston
d) - Tạo rãnh phân bố nhiệt để giảm lợng nhiệt truyền qua xéc măng thứ nhất.
e) - Nếu có điều kiện thì phun dầu làm mát
Vấn đề bao kín:
Vấn đề bao kín buồng cháy phụ thuộc chủ yếu vào số lợng xéc măng khí và
khe hở nhiệt giữa các cặp: pittông - xilanh; pittông - xéc măng, và khe hở miệng xéc
măng. Nếu để lọt khí nhiều công suất động cơ giảm và dễ bị cháy pittông và xéc
măng ở vùng lọt khí.
Nói chung số xéc măng càng nhiều thì bao kín càng tốt nhng tổn hao ma sát
càng lớn, đầu pittông càng dài, khối lợng pittông càng lớn. Vì vậy lựa chọn số xéc
măng (số rãnh xéc măng trên pittông) thờng căn cứ vào tính năng tốc độ của động
cơ, đờng kính xilanh và áp suất khí cháy. Nếu tốc độ của động cơ càng thấp, đờng
kính xilanh càng lớn, áp suất cháy càng cao thì số xéc măng càng nhiều. Số xéc
măng khí của động cơ tốc độ cao thờng là 1 ữ 3, còn động cơ tốc độ thấp có thể lên
đến 5 ữ 7.
Khe hở phần đầu thờng xác định theo thực nghiệm để tránh bó kẹt pittông.
Trong phạm vi đờng kính xilanh nhỏ hơn 150 mm, khe hở phần đầu thờng nằm
trong khoảng:

đ

= (0,5 ữ 0,6) mm.
Khe hở vùng đai xéc măng:

đxm
= (0,05 ữ 0,15) mm.
Khe hở giữa xéc măng và rãnh xéc măng:
Đối với xéc măng thứ nhất:
= ữ






1
20
1
40
h
Đối với xéc măng khác:
= ữ






1
50
1

90
h
Đối với xéc măng dầu:
= ữ






1
50
1
120
h
Trong đó: h - Chiều cao của xéc măng.
Rãnh xéc măng thờng khoét sâu hơn chiều dày của xéc măng để tạo khe hở
bụng khoảng 0,5 ữ 1,5 mm.
Vấn đề sức bền.
6
K t c u õ ỹng c - Ch ng 4: K t c u tờnh toaùn nhoùmóỳ ỏỳ ọ ồ ổồ óỳ ỏỳ
Piston
Để tăng độ cứng vững cho phần đỉnh và phần đầu pittông, ngời ta thờng thiết
kế các gân gần dới đỉnh và gân dọc nối liền với bệ chốt.
3. Thỏn:
Thân pittông là phần dẫn hớng và chịu lực ngang N, chiều dài phần thân
pittông tính từ xéc măng cuối cùng phía trên bệ chốt đến chân pittông. Chiều dài
thân pittông phụ thuộc vào trị số của lực ngang N. Thân càng dài, áp suất tiếp xúc
giảm nhng khối lợng pittông càng lớn. Trong động cơ tốc độ cao, thân pittông thờng
ngắn.

Tỷ số chiều dài thân pittông so với đờng kính xilanh của các loại động cơ th-
ờng có trị số nh sau:
Đối với động cơ cao tốc:
L
D
th
= ữ0 5 0 7, ,
Đối với động cơ tốc độ trung bình và thấp:
L
D
th
= ữ0 8 1 25, ,
Riêng đối với động cơ hai kỳ, thân của pittông thờng rất dài và phải đảm bảo
điều kiện đóng kín lỗ nạp thải khi pittông ở điểm chết trên.
Vị trí xéc măng dầu cũng không đợc vợt qua lỗ thải, nạp để khỏi vấp vào mép
lỗ làm gẫy xéc măng.
Vị trí của lỗ bệ chốt pittông thờng đặt cao hơn tâm của phần thân để áp suất do
lực N và do lực ma sát sinh ra phân bố đều hơn. Vị trí lỗ bệ chốt thờng chọn theo
công thức kinh nghiệm:
h
ch
= (0,6 ữ 0,74)H
th
.
Trong động cơ cao tốc ngày nay, ngời ta còn thờng làm lỗ bệ chốt lệch khỏi
đờng tâm xilanh 2 ữ 3 mm theo hớng chiều quay của trục khuỷu để giảm lực N, làm
giảm va đập của pittông lên mặt xilanh. Trong quá trình làm việc thân pittông bị
biến dạng nên thờng làm cho pittông bị bó và làm tăng tổn thất ma sát.
Chiều biến dạng do dãn nở nhiệt, do tác động của lực ngang N và do tác động
của lực khí thể đều trùng trên phơng đờng tâm chốt pittông.

Sơ đồ biến dạng của thân pittông
Để khắc phục hiện tợng bó pittông, các nhà thiết kế thờng dùng các biện
pháp sau đây:
7
K t c u õ ỹng c - Ch ng 4: K t c u tờnh toaùn nhoùmóỳ ỏỳ ọ ồ ổồ óỳ ỏỳ
Piston
a) Làm thân pittông có dạng ôvan, chiều trục ngắn theo phơng đờng tâm chốt
pittông.
b) Tiện vát hoặc đúc lõm phía hai đầu bệ chốt .
c) Giảm độ cứng vững của thân bằng các rãnh đàn hồi có dạng chữ T, chữ
trên phần thân. Các rãnh ngang đều xẻ bên trong rãnh xéc măng dầu.
Biện pháp này thờng dùng cho động cơ xăng. Khi xẻ rãnh đàn hồi, khe hở giữa
thân và xilanh có thể để nhỏ mà không sợ bó do đó cải thiện đợc điều kiện truyền
nhiệt nên trạng thái nhiệt độ của pittông giảm khá nhiều.
d) Đúc phần bệ chốt gắn lên tấm hợp kim có hệ số giãn nở thấp (ví dụ hợp kim
invar có thành phần 30 ữ 38%Ni, 0 ữ 8%Cr còn lại là Fe, có hệ số dãn nở dài =
2.10
-6
) để khống chế độ giãn nở của thân pittông.
Ngoài các biện pháp thờng dùng kể trên, thân pittông còn đợc thiết kế có đờng
kính thay đổi theo trờng nhiệt độ.
Vì vậy phần thân pittông thờng có dạng hình côn, hoặc nhiều bậc.
ờ 4.2. CH T PISTON
I. Nhió ỷ m vu ỷ vaỡ õi ó ửu kió ỷ n laỡm vi ó ỷ c cuớa ch ọ ỳ t piston :
Chốt pittông là chi tiết máy liên kết pittông với thanh truyền, chịu lực tác động
trên pittông và truyền lực này cho thanh truyền. Vì vậy chốt pittông chịu tải trọng
rất lớn, va đập mạnh và ma sát lớn, dễ bị mòn do khó bôi trơn. Vì vậy chốt pittông,
tuy về hình dạng kích thớc rất đơn giản nhng lại có tầm quan trọng rất lớn đối với an
toàn động cơ nên khi thiết kế ngời ta phải tuân theo các điều kiện kỹ thuật rất
nghiêm ngặt nh:

Phải đảm bảo độ bền cao, ít biến dạng nhng lại có khối lợng nhỏ.
Chất lợng bề mặt cao, có độ chính xác hình học, độ cứng mặt ngoài cao
nhng ruột lại dẻo để chống mỏi tốt. Độ bóng bề mặt cao không có vết x-
ớc để tránh ứng suất tập trung.
II. Vỏ ỷ t lió ỷ u vaỡ ph ổ ồ n g phaùp ch ó ỳ taỷo ch ọ ỳ t piston :
Để đảm bảo tính năng kỹ thuật cao của chốt pittông, ngời ta thờng dùng các
loại thép hợp kim cao cấp có thành phần các bon thấp nh các loại thép: 20 Cr, 20Cr
Ni, 18Cr Ni M
o
... để chế tạo chốt pittông. Sau khi thấm than, độ cứng bề mặt sau
khi nhiệt luyện có thể đạt HRC = 58 ữ 60 còn phần ruột có độ cứng HRC = 26 ữ 30.
III. Kóỳt cỏ ỳ u vaỡ caùc ph ổ ồ n g phaùp l ừ p gheùp ch ọ ỳ t piston :
8