Toată lumea încearcă să slăbească puțin în zilele noastre, iar pistoanele tale nu fac excepție. De ce este importantă greutatea pistonului și cum pot fi aruncate grame fără a sacrifica forța? Explorăm procesul de a face pistoanele mai ușoare.

faci

La 6.500 RPM, un piston schimbă direcția de peste 200 de ori pe secundă. Într-un motor cu o cursă de patru inci, viteza medie a pistonului este de aproape 50 de mile pe oră și aceasta este doar media - petrece o cantitate considerabilă de timp (în termeni relativi) stând aproape nemișcat în partea de sus și de jos a fiecărei curse. înainte de a fi împins sau târât înapoi în cealaltă direcție.

Concluzia este că forța g a unui piston, chiar și în cazul unei aplicații ușoare, este enormă și considerăm de la sine înțeles că vor face față stresului mereu și fără a defecta și dezasambla spontan motorul. În timp ce accelerația pistonului rezistă este o funcție matematică a turației motorului, a aruncării manivelei și a dimensiunilor tijei, cât de multă forță care se traduce este ceva pe care avem un anumit control, sub forma greutății pistonului. Deși ar putea părea contraintuitiv, un piston mai ușor poate fi mai durabil decât unul mai greu dacă există exces de material în locuri greșite și, pentru a obține o idee despre cum și de ce să facem pistonii mai ușori, am contactat doi indivizi foarte cunoscuți - Vic Ellinger și Nick DiBlasi ai lui Wiseco.

Este ușor să privim componente precum pistoanele, tijele, manivela și blocul ca fiind complet rigide atunci când sunt așezate în sala de asamblare, dar forțele care acționează asupra lor în funcțiune sunt cu mult peste capacitatea noastră de a înțelege intuitiv că este greu să simți cum se flexează și se mișcă în funcțiune.

Ellinger descrie elocvent haosul controlat care se petrece în interiorul unui motor în funcțiune; „Există forțe constante de împingere și tragere care distorsionează fiecare componentă a ansamblului rotativ - Gândiți-vă la o găleată de pietre pe un șir versus o pietricică la capătul unui șir și învârtindu-le rotunde și rotunde. Inelele luptă împotriva ciclurilor de ardere; pistonul, tija și știftul încearcă să fie aruncat literalmente din bloc, în timp ce încearcă să sigileze și, la rândul său, să împingă vehiculul pe drum. Pereții cilindrilor au formă de butoi, iar capacele principale și ale tijei se mișcă luptându-se pentru a rămâne fixați în poziție și pentru a oferi suport pentru rulmenți. ”

Interesant este faptul că pistoanele nu sunt sub cea mai mare solicitare atunci când s-ar putea crede că sunt - în timpul cursei de putere. DiBlasi explică: „De fapt rulmenții, jantele și capacele sunt cele care văd cele mai multe forțe pe cursele de putere ale motoarelor, unde sarcinile inerțiale ale cursei de eșapament și decelerarea sunt locul în care apar multe defecțiuni la piesele grele.” Pistoanele și tijele sunt de fapt sub unele dintre cele mai extreme stresuri la TDC în timpul comutării dintre cursele de evacuare și admisie, unde există puțină rezistență la mișcarea ascendentă a pistonului de la presiunea din cameră, iar pistonul schimbă brusc direcția pe măsură ce mișcarea manivela începe să o tragă înapoi în gaură.

„Sub compresie, atunci când piesele sunt proiectate corect, totul este fericit și se menține împreună”, explică DiBlasi. "Greutatea mare poate avea un impact cu adevărat atunci când masa devine din ce în ce mai departe de linia centrală a arborelui cotit."

Simplifică și adaugă ușurință

Pentru a reduce aceste solicitări, este esențială reducerea masei ansamblului rotativ, iar cea mai mare lovitură pentru buck în ceea ce privește reducerea greutății se întâmplă cu pistoanele.

Per DiBlasi, „Cu cât puteți scoate mai multă greutate din ansamblul tijei și pistonului, cu atât mai puțină stres puneți pe rulmenți și jante. Atunci când motoarele cu turație „ridicate”, sarcina și turațiile pot deteriora cu o viteză exponențială. Fiecare gram face o diferență uriașă în acel moment. Un piston extrem de greu împinge, de asemenea, limitele șuruburilor tijei. Pistonul, care se întoarce la TDC, va face tot ce poate pentru a continua să se deplaseze în acea direcție, iar șuruburile tijei sunt singurul lucru în loc pentru a opri acest lucru. ”

În unele circumstanțe, cum ar fi motoarele care funcționează cu impulsuri mari sau mult azot, nu există nicio alternativă la a avea masă suplimentară în piston pentru a asigura suficient dissipator de căldură pentru a preveni detonarea și a furniza o cale suficient de largă pentru ca energia termică să fie realizată. ieșirea din piston și în pereții cilindrilor și, în cele din urmă, sistemul de răcire. Dar fără aceste condiții speciale, bricheta va fi mai bună.

„Pistoanele mai ușoare sunt bune pentru motoarele cu aspirație naturală care caută fiecare avantaj posibil în cadrul regulilor sau în care se vor atinge niveluri mai mici de cai putere, iar masa rotativă mai ușoară poate fi utilizată fără riscul defectării pieselor”, explică Ellinger. „Dincolo de asta reacționează motorul”, adaugă DiBlasi. "Masa rotativă mai ușoară permite motorului să răspundă mai rapid atunci când se învârte."

Având în vedere acești factori, cum pot pistoanele să urmeze o dietă fără a sacrifica forța? O parte din acestea se referă la „genetică” - modul în care este fabricat pistonul. Cele două metode obișnuite pentru pistoanele produse în serie sunt turnarea, în care aluminiul topit este turnat într-o matriță și forjarea, în cazul în care un semifabricat de aluminiu este încălzit, apoi modelat într-o matriță sub o presiune imensă. Există argumente pro și contra în fiecare metodă în ceea ce privește rezistența, materialele utilizate și, desigur, prețul, iar una nu este neapărat mai bună decât cealaltă pentru fiecare aplicație.

„De obicei, un piston forjat este greu în majoritatea cazurilor”, explică Ellinger. Acest lucru se datorează faptului că mulți producători de pistoane forjate folosesc o singură bază de forjare pentru o mare varietate de modele finale diferite de pistoane, fie că va fi o coroană cu cupolă cu compresie ridicată sau o farfurie cu compresie redusă, sau o serie de alți factori de proiectare, cum ar fi o fustă completă sau șefi de pini întăriți. Puteți oricând să scoateți materialul dintr-o forjare, dar timpul necesar pentru a prelucra excesul care nu trebuie să fie acolo pentru o anumită aplicație costă bani și, ca urmare, pistoanele forjate ajung adesea mai greu decât trebuie.

Ellinger continuă: „Wiseco se pricepe foarte bine la proiectarea forjărilor aproape de rețea pentru o aplicație specifică, cu luxul de a avea propriul nostru magazin de forjare intern”. Abilitatea de a crea pistoane forjate care se potrivesc îndeaproape cu forma finală dorită înseamnă mai puțină masă de îndepărtat. DiBlasi adaugă: „În funcție de aplicație, pistoanele forjate pot fi semnificativ mai ușoare, cu aceeași greutate sau mai grele. De obicei, în aplicațiile noastre aspirate natural, pistoanele sunt mai ușoare, deoarece materialul nostru de bază și designul sunt superioare OEM. În aplicațiile de serviciu extrem în care observăm cerințe de creștere ridicată, este obișnuit să vedem greutăți cum ar fi turnate și mai grele. Multe dintre piesele noastre de schimb sunt concepute pentru a se potrivi cu greutățile OEM, astfel încât este necesară o echilibrare mică sau deloc. ”

Reducerea masei pistonului este o oportunitate pentru o inginerie creativă, deoarece fiecare piesă este un loc potențial pentru a adăuga ușurință, începând cu proiectarea forjării de bază și continuând prin operațiile de prelucrare care îl transformă într-o componentă gata de rulare. DiBlasi spune: „Designul așa-forjat poate reduce greutatea în practic fiecare zonă a pistonului. Deoarece materialul nostru de bază este mai puternic, putem utiliza o geometrie mai bună a pistonului și secțiuni transversale mai subțiri ale pistonului pentru a reduce greutatea totală. Grosimea coroanei, grosimea fustei și turnurile știfturilor sunt cele mai mari zone în care materialul poate fi îndepărtat. Un piston turnat poate avea o grosime a coroanei de .220 ”, în timp ce o variantă forjată poate avea o rezistență superioară la grosimea de .180”. De asemenea, prin utilizarea unui design cu un știft mai scurt, putem reduce greutatea știftului cu 25% și putem muta turnurile știftului pinului spre interior pentru a reduce cantitatea de aluminiu de pe forjare. ”

Ellinger continuă: „În mod obișnuit, sub relieful cupolei și supapelor se află cele mai mari zone pentru a atenua greutatea suplimentară. Analiza elementelor finite și examinarea pistoanelor de rulare vă pot oferi semne de unde să scoateți greutatea fără a avea probleme de fisurare și de uzură grea încep să apară. ” DiBlasi adaugă: „Software-ul nostru FEA ne permite să vedem zonele cu solicitări ridicate ale pistonului. Putem elimina greutatea în software-ul nostru de modelare și putem vedea un impact direct asupra produsului finit. Multe iterații sunt concepute atunci când sunt create forjări pentru a înțelege unde fiecare forjare poate utiliza o reducere suplimentară a greutății. Din acel moment, dezvoltăm standarde specifice de proiectare pentru forjare. ”

În general, la ce se adaugă asta? Potrivit lui Ellinger, poate reprezenta mai mult de zece procente din greutatea totală a pistonului original. „De obicei, o operație de frezare completă poate fi de până la 45-60 de grame, în funcție de designul cupolei. La un punct de plecare de 480 de grame, aceasta reprezintă o reducere substanțială a greutății. ”

DiBlasi adaugă mai multe detalii, spunând: „Fiecare aplicație va fi diferită, dar ne putem uita la LS3 plat aspirat natural într-un piston cu alezaj standard 4.065”, de exemplu. Reducând lățimea știftului pinului, grosimile coroanei și fustei, putem scoate 30 de grame din piston doar în forjare. Știfturile mai scurte echivalează cu alte 12 grame, de la 2.500 ”la 2.250”. Aceasta echivalează cu o reducere a masei cu aproximativ 7-10%. ”

Ca parte a unei strategii complete, pistoanele ușoare Wiseco pot reduce semnificativ masa alternativă a motorului fără compromisuri de rezistență sau durabilitate. "Componentele pistonului sunt o altă resursă pentru a reduce greutatea în continuare pe ansamblul rotativ", notează DiBlasi. „Folosirea unui material de înaltă calitate, mai puternic, ne permite să rulăm un știft de perete mai subțire împreună cu știftul mai scurt. De asemenea, rularea unui pachet de inele mai mic, cum ar fi 1,0 mm, 1,0 mm, 2,0 mm, poate reduce până la 30 de grame în comparație cu un set de inele 1/16, 1/16, 3/16. ” Deși este inevitabil o creștere a costurilor implicată de pistoanele ușor extinse, tijele ușoare, știfturile actualizate și alte componente, dacă sunteți în căutarea unei puteri de rpm ridicate fiabile într-o aplicație aspirată natural, sunt bani cheltuiți bine.