UKA
AD TA
OKOWO-KORBOWY
Wiadomości podstawowe
Zadaniem układu tłokowo-korbowego jest zamiana ruchu posuwisto-zwrotnego (oscylacyjnego) tłoka na ruch
obrotowy wału korbowego, wywołany działaniem momentu obrotowego, pochodzącego od sił gazowych
działających na tłok (tłoki). Zależnie od sposobu równoważenia siły PN rozróżnia się dwa rodzaje układów
tłokowo-korbowych:
" układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego,
" układ tłokowo-korbowy silnika wodzikowego.
Układ tłokowo-korbowy silnika bezwodzikowego składa się z tłoka, korbowodu, wału korbowego, łożysk:
głównych, korbowych i sworzniowych oraz koła zamachowego.
W górnej, uszczelniającej części tłoka znajdują się pierścienie uszczelniające 2, osadzone w .rowkach 2a i
pierścienie 3, osadzone w rowkach 3a. Pierścienie olejowe mogą być również zakładane w dolnej partii
części prowadzącej tłoka. Sworzeń 4 mocowany w piastach tłoka łączy przegubowo tłok 1 z korbowodem 7.
Dolną część korbowodu stanowi łożysko korbowe 15, za którego pomocą korbowód, a tym samym i tłok, łączą
się z wałem korbowym. Przykład tłoka i korbowód pokazany na rys. 6.1. jest typowym, chociaż nie jedynym
rozwiązaniem. Istnieje wiele innych rozwiązań zespołu tłok-korbowód silnika bezwodzikowego, które opisano
w dalszych partiach rozdziału.
Przykład tłoka i korbowodu silnika wodzikowego z wodzikiem jednostronnym a) i z wodzikiem dwustronnym
b) pokazano na rys. 6.2. Tłok 1, przez trzon tłokowy 2 i wodzik 3, łączy się z korbowodem 4. Trzon tłokowy
jest osadzony na stałe w sworzniu wodzika, natomiast wodzik z korbowodem łączą się ruchowo. Sworzeń
wodzika jest podparty w łożyskach wodzikowych 5. A
yżwa wodzika 6, przez swe powierzchnie ślizgowe
przenosi na prowadnicę wodzika siły PN prostopadłe do osi cylindra. A
ożyska wodzikowe 5 i korbowe 7 są
mocowane do górnej i dolnej stopy korbowodu śrubami pasowanymi.
Układ ten, podlegający okresowo zmiennym obciążeniom, w istotnym stopniu decyduje o niezawodności i
trwałości silnika. Z tych względów, opierając się na szczegółowo rozpoznanych warunkach pracy (obciążeń i
zagrożeń) i wykorzystując najnowsze zdobycze nauki i techniki wszystkie elementy tego układu, a zwłaszcza
tłoki i łożyska, projektuje się i wykonuje z wielką starannością i uwagą. Zrozumiałe jest, że i podczas -
użytkowania układ ten wymaga fachowej - starannej i poprawnej technicznie - obsługi bieżącej i konserwacji.
Wszystkie części układu znajdują się w zamkniętej skrzyni korbowej, uniemożliwiającej ich bezpośrednią
obserwację podczas ruchu silnika. Z tego powodu nawet pozornie drobna usterka lub uszkodzenie mogą być
przyczyną poważnych uszkodzeń. Na przykład poluzowanie się nakrętki śruby łożyska korbowego, nie
zauważone i nie usunięte w porę, spowoduje niewątpliwie urwanie śrub łożyskowych, odpadnięcie pokrywy
łożyskowej i w konsekwencji rozbicie skrzyni korbowej.
Tłoki silników okrętowych
Zadania i warunki pracy. Rodzaje tłoków.
Główne zadania tłoka to szczelne, suwliwe zamknięcie przestrzeni roboczej cylindra (przy jednoczesnym
zapobieganiu przedostawania się oleju z gładzi cylindrowej do komory spalania) oraz przeniesienie za
pośrednictwem pozostałych elementów układu tłokowo-korbowego sił gazowych na wał korbowy. Tłoki
silników bezwodzikowych przenoszą ponadto siły nacisków bocznych PN na ściany tulei cylindrowej. Tłoki
silników dwusuwowych mogą współdziałać w procesie wymiany czynnika roboczego, sterując rozrządem
powietrza i spalin (odsłanianie i przysłanianie okien do- i wylotu czynnika roboczego). Odpowiednio
wyprofilowane denko tłoka współdziała w procesie płukania i powstawania mieszanki palnej. W silnikach
dwusuwowych, z zamkniętą przestrzenią podtłokową, dolna część tłoka spełniać może zadanie tłoka sprężarki
powietrza ładującego.
Warunki pracy.
Spośród wszystkich części silnika wysokoprężnego obciążenie tłoka jest największe i najbardziej różnorodne.
Tłok obciążony jest mechanicznie siłami gazowymi i masowymi oraz cieplnie. Decydujące są tu naprężenia
powodowane różnicą temperatur jego ścianek.
Najbardziej narażone na te obciążenia są:
" denko tłoka; w wyniku okresowo zmiennych temperatur czynnika roboczego, nakładających się na quasi-
statyczny przebieg temperatury denka, powstają w jego rejonie zmienne naprężenia cieplne, mogące
powodować pęknięcia, natomiast wskutek wysokich temperatur mogą powstać powierzchniowe ubytki
materiału, tzw. wypalenia;
" rowki pierścieni tłokowych zniekształcane (trapezowe wybicia) pierścieniami tłokowymi;
" mostki między rowkami; w określonych warunkach obciążenia (duże wartości pmax i duża szybkość jego
narastania) mogą powstać na dnie rowka pęknięcia zmęczeniowe, a wskutek tego wykruszenia materiału,
zwłaszcza między pierwszym a drugim pierścieniem;
" piasta sworznia tłokowego; na górnej powierzchni piasty, zwykle od strony krawędzi wewnętrznej, mogą
powstać włoskowate pęknięcia zmęczeniowe.
Temperatura i jej rozkład na ściankach tłoka, a zatem i w określonym stopniu naprężenia cieplne zależą od
czynników konstrukcyjnych (materiału tłoka, sposobu jego chłodzenia itp.) i stopnia obciążenia silnika. Dla
porównywalnych rozwiązań konstrukcyjnych i warunków obciążenia tłoki chłodzone olejem mają wyższe
temperatury w porównaniu z tłokami zależ chłodzonymi wodą. Temperatura tłoka zależy także od
przewodności cieplnej jego materiału. Najniższe temperatury mają tłoki wykonane ze stopów lekkich. Należy
również zauważyć, że spośród wszystkich elementów komory spalania najwyższą temperaturę ma tłok.
Rodzaje tłoków.
W zależności od sposobu prowadzenia tłoka (sposobu kiedy równoważenia siły PN) rozróżnia się:
" tłoki silników bezwodzikowych
" tłoki silników wodzikowych
Ze względu na stosowane materiały można wyróżnić:
" tłoki żeliwne, jednoczęściowe
" tłoki ze stopów aluminium,
" tłoki staliwno-żeliwne, składane
" tłoki stalowo-żeliwne.
Według kryterium konstrukcyjnego rozróżnia się:
" tłoki jednoczęściowe
" tłoki składane (wieloczęściowe)
" tłoki krótkie dotyczy silników wodzikowych
" tłoki długie
" tłoki ze sworzniem cylindrycznym
" tłoki ze sworzniem kulistym dotyczy bezwodzikowych
Podczas pracy tłoki silników okrętowych nagrzewają się w takim stopniu, że wymagane jest ich chłodzenie. Do
tego celu stosuje się olej smarowy lub wodę słodką. Czynniki te doprowadza się na wewnętrzną powierzchnię
denka tłoka.
Podstawowe informacje o budowie tłoków
Wybór materiału na tłok, jak też rozwiązanie i kształt konstrukcyjny tłoka zależą od rodzaju i wielkości silnika,
szczególnie zaś od mocy jednostkowej i prędkości obrotowej silnika, sposobu równoważenia siły poprzecznej
PN oraz od zadań dodatkowych, jakie spełnia tłok.
Materiały
Materiał stosowany na tłoki powinien sprostać wielu różnorodnym, niekiedy sprzecznym wymaganiom.
Najważniejsze z nich, w aspekcie technicznym (pomija się możliwość zakupu, cenę itp.) to:
" duża wytrzymałość - również w wysokich temperaturach,
" duża odporność na powstawanie pęknięć pod wpływem zmiennych obciążeń cieplnych,
" dobre własności cierne, co oznacza, między innymi, dużą odporność na ścieranie, małe skłonności do
zacierania się, mały współczynnik tarcia,
" mała rozszerzalność cieplna, taka by kształt tłoka nie zmieniał się pod wpływem temperatury, a luz tłoka w
tulei w stanie zimnym był możliwie mały,
" duża przewodność cieplna, gwarantująca dobre odprowadzanie ciepła, a w rezultacie utrzymująca niskie
temperatury tłoka,
" mały ciężar właściwy, warunkujący małe obciążenia mechaniczne układu tłokowego siłami masowymi;
własność szczególnie pożądana przy silnikach średnio- i szybkoobrotowych,
" dobre własności technologiczne, zwłaszcza lejność i obrabialność. Praktycznie nie ma materiału, który by
spełniał zadowalająco wszystkie wymagania. Tak więc - z konieczności - wybór materiału na tłok polega na
kompromisowym uwzględnieniu wyżej wymienionych cech dla danego silnika i przewidywanych warunków
jego pracy.
Stosowanie materiałów wiązanych lub budowa tłoków składanych z różnych materiałów umożliwia takie
dobranie materiałów, aby w różnych rejonach tłoka ich właściwości były optymalnie dostosowane do
występujących tam obciążeń.
Zasadniczymi materiałami, stosowanymi do budowy tłoków silników okrętowych są: żeliwo, staliwo lub stal
i stopy aluminium.
Żeliwa. Żeliwa stosuje się do budowy tłoków silników średnio- i wolnoobrotowych - jednoczęściowych lub
składanych. W tym ostatnim wypadku z żeliwa wykonuje się część kompresyjną tłoka lub prowadzącą.
Żeliwo ma stosunkowo mały współczynnik rozszerzalności cieplnej, dzięki czemu tłoki mogą być pasowane w
cylindrach z małymi luzami. Dodatnimi cechami żeliwa są dobre własności ślizgowe, duża odporność na
ścieranie, wytrzymałość na duże obciążenia cieplne oraz zachowanie w wysokich temperaturach (do 400�C)
dostatecznej wytrzymałości i twardości. Głównymi wadami żeliwa jako materiału na tłok są duży ciężar i mała
przewodność cieplna, wskutek czego temperatura tłoków żeliwnych w czasie pracy jest wysoka (por. rys. 6.5).
Żeliwo przeznaczone na budowę tłoków ma zwykle strukturę perlityczną, z siatką drobnego grafitu oraz
następujący skład: C = 3,2-3,65%, Si = 2,1-2,5%, P + S = 0,3% [23]. Żeliwo przeznaczone na tłoki zawierać
może także dodatki stopowe, nadające mu bardziej drobnoziarnistą strukturę i zwiększające jego wytrzymałość.
Jako dodatki stopowe stosuje się: Cr, Ni, Mo i Cu.
Staliwa i stale. Materiały te stosuje się głównie na głowice (denka) tłoków składanych (por. rys. 6.16a). Stal
(staliwo) ma dużą wytrzymałość. Z tego względu denka tłoków mogą być stosunkowo cienkie i dlatego mało
obciążone cieplnie. W starszych konstrukcjach używano do tego celu staliwa o przeciętnym składzie
chemicznym: C = 1,5=1,7%, Mn = 0,8=1%, Cr = 0,1=0,15%, Cu = 1-2%. Obecnie głowice tłoków, zwłaszcza o
średnicy D > 500 mm wykonuje się ze stali. Najczęściej stosowane są obecńie stale 40 Mn 4 znormalizowane,
X45 Cr Si 9 ulepszona lub żaroodporna, na przykład 24 Cr Mn V 55 0 niskiej zawartości węgla (0,18=0,25%).
Stopy aluminium. Stopy aluminium, zwane również stopami lekkimi, przeznaczone są głównie na tłoki
silników średnio- i szybkoobrotowych małej i średniej mocy, a obecnie również coraz powszechniej na tłoki
silników o średnicy do 500 mm. Materiał ten stosuje się także na część prowadzącą tłoków składanych. Mały
ciężar właściwy stopów aluminium umożliwia stosowanie zwiększonych prędkości obrotowych silnika, bez
obawy nadmiernego wzrostu sił masowych. Stopy aluminium mają mniejszy współczynnik tarcia niż żeliwo,
natomiast duży współczynnik przewodności cieplnej. Do wad stopów lekkich należy zaliczyć duży
współczynnik rozszerzalności cieplnej i spadek wytrzymałości w wyższych temperaturach. Stosunkowo mały
współczynnik rozszerzalności cieplnej mają stopy aluminium ze znacznym dodatkiem krzemu, tzw. stopy Al-Si
(Si do 26%), z których wykonuje się obecnie większość tłoków. Przykładowo podaje się skład jednego ze
stopów Al-Si: Si =11=13%, Cu = 0,8=1,5%, Ni = 1,3%, pozostałe procenty odnoszą się do Al.
Materiały wiązane i sposoby ulepszania własności materiałów. Jak już wspomniano, żaden materiał na tłoki
nie spełnia wymaganych żądań, obciążenia bowiem poszczególnych partii tłoka są znacznie zróżnicowane. W
celuzwiększenia trwałości tłoka, strefy szczególnie obciążone - krawędzie denka, powierzchnie rowków itp. -
wzmacnia się innym materiałem lub ulepsza lokalnie. Opracowano i zastosowano w tym zakresie wiele
różnych technologii. Pomijając powszechnie znane technologie, takie jak miejscowe hartowanie, chromowanie,
wtapianie wkładek podpierścieniowych itp
Tłoki silników bezwodzikowych
Stosownie do spełnianych zadań przez tłok można w nim wyróżnić część uszczelniającą 1 i prowadzącą 2 (rys.
6.8). W części uszczelniającej, lekko stożkowej, zamkniętej od góry denkiem 3, znajdują się rowki pierścieni
uszczelniających 4 i rowek pierścienia olejowego 5. Rowki pierścieni olejowych mogą znajdować się także w
dolnej partii części prowadzącej. Część prowadząca w górnej i dolnej partii jest cylindryczna, natomiast w
partii piast 6 przekroje poprzeczne są owalne, jak pokazano na rys. 6.8b. Długość 1 części prowadzącej 2, w
zależności od siły PN nacisku tłoka na gładz
i nacisków dopuszczalnych pdop jest tak dobierana, aby nacisk p
tłoka na gładz

P
N
p = d" p
dop
Dl
(1 i D wg oznaczeń na rys. 6.8) nie przekraczał wartości dopuszczalnych dla danych materiałów i warunków
pracy.
Rys. 6.8. Tłok silnika bezwodzikowego
1-część uszczelniająca; 2-część prowadząca; 3-denko tłoka; 4-rowki pierścieni uszczelniających; 5- rowki
pierścieni olejowych; 6- piasta sworznia
Geometria tłoka. Podczas pracy tłok, a zwłaszcza jego część górna, ulega cieplnym i mechanicznym
odkształceniom (rys. 6.9). Odkształcenia te zależą od pola temperatur tłoka oraz od sił obciążających tłok.
Stożkowatość części uszczelniającej i owalność części prowadzącej są uwarunkowane przyrostem termicznym
wymiarów tłoka. Kształt tłoka w stanie zimnym musi być tak dobrany, aby w czasie pracy, po nagrzaniu się i
odkształceniu, osiągnął on wymiary regularnego walca. W pierwszym przybliżeniu uproszczony rozkład
temperatury wzdłuż tworzącej tłoka ilustruje rys. 6.10. Na rozkład temperatury wzdłuż tworzącej tłoka w
płaszczyz
nie osi sworznia (charakterystyka tb) dodatkowy wpływ wywiera ciepło równoważne stratom tarcia w
łożysku sworzniowym.
Denka tłoków. Denka tłoków przejmują naciski spalin oraz odprowadzają ciepło do pierścieni tłokowych.
Denka tłoków silników średnich, dużych i wielkich mocy są użebrowane od strony wewnętrznej. Żebra
zwiększają wytrzymałość denka i polepszają jego chłodzenie, wskutek czego denka te mają mniejszą grubość.
Małe grubości denek są korzystne ze względu na naprężenia cieplne, których wartość jest odwrotnie
proporcjonalna do grubości ścianki denka.
Kształt denek zależy od rodzaju silnika (2- lub 4-suwowy), kształtu komory spalania oraz zadań, jakie tłok
spełnia w procesie wymiany ładunku i tworzenia mieszanki palnej. Różnorodne kształty mają zwłaszcza denka
tłoków silników 2-suwowych ze względu na współudział tłoka w procesie wymiany ładunku. Rowki
pierścieniowe. Rowki pierścieniowe, wytoczone w części uszczelniającej tłoka, służą do osadzenia i
prowadzenia pierścieni uszczelniających 1. W tej części tłoka może się także znajdować rowek pierścienia ole-
jowego 2. Jeśli tłok ma dwa pierścienie olejowe to jeden lub oba mogą być zakładane w rowkach wytoczonych
w dolnej partii części prowadzącej.
Pierwszy rowek pierścienia uszczelniającego znajduje się poza strefą denka, poniżej wewnętrznej powierzchni
denka, odległy o wymiar a. Rozwiązanie to chroni rowek i znajdujący się w nim pierścień przed nadmiernym
nagrzewaniem się od denka tłoka. W tłokach szczególnie obciążonych cieplnie stosuje się niekiedy szczelinowe
rowki 3 stanowiące barierę cieplną dla górnego pierścienia. Utrzymanie podczas pracy temperatury pierwszego
pierścienia uszczelniającego poniżej określonej wartości, zwykle < 200-230 �C, zapobiega koksowaniu paliwa i
oleju w szczelinie między rowkiem a pierścieniem, a tym samym unieruchomieniu pierścienia w rowku. Rowki
pierścieni tłokowych mają zwykle przekrój prostokątny, ale spotyka się również rowki o przekroju
trapezowym i półokrągłym. Rowki o przekroju trapezowym stosuje się w tłokach o dużym obciążeniu
cieplnym. Pierścienie trapezowe wykazują mniejszą skłonność do zapiekania się niż pierścienie prostokątne.
Zaokrąglenie krawędzi dna rowków łagodzi działanie karbu (zmniejsza spiętrzenie naprężeń). Rowki
półokrągłe stosuje się w silnikach o dużym obciążeniu cieplnym.
Chłodzenie. Tłoki współczesnych silników bezwodzikowych wymagają chłodzenia, jeżeli ich średnica
nominalna D ma wymiar większy od:
" 200=300 mm dla silników 2-suwowych,
" 250=350 mm dla silników 4-suwowych.
Decydująca w tym względzie jest także wielkość średniego ciśnienia efektywnego pe. W miarę wzrostu pe
trzeba chłodzić tłoki o coraz mniejszej średnicy. Tłoki silników bezwodzikowych chłodzi się tym samym
olejem, jaki znajduje się w obiegu smarowym silnika. Zwykle olej chłodzący doprowadza się do tłoków
kanałem wydrążonym w korbowodzie lub rurami teleskopowymi. Olej chłodzący może bezpośrednio omywać
wewnętrzną powierzchnię denka lub przepływać przez wężownicę rurową wtopioną w materiał denka.
Tłoki silników wodzikowych
Tłoki silników wodzikowych (rys. 6.16.) wykonuje się jako składane z części uszczelniającej 1 (kompresyjnej)
i prowadzącej 2. Obie części są połączone przez tzw. trzon tłokowy 3. W silnikach, w których tłok
współuczestniczy w procesie wymiany ładunku, łączna jego długość jest co najmniej równa skokowi, by w
położeniu GMP zasłaniał okna wymiany ładunku. Część uszczelniająca tłoka, podobnie jak tłoka silnika
bezwodzikowego, jest stożkowa, o zbieżności zależnej od wiellcości odkształceń termicznych
Rys 6.16. Tłoki silników wodzikowych chłodzonych olejem:
1 - część uszczelniająca; 2 - część prowadząca; 3 - trzon tłokowy; 4 - kierownica rozprowadzająca olej
chłodzący; 5- rura ściekowa oleju; 6- pierścień uszczelniający; 7- pierścienie prowadzące