پیستون خودرو چیست؟ ساختار، علت صدای پیستون، علامت نصب و علائم خرابی

پیستون خودرو قطعه‌ای استوانه‌ای از جنس آلیاژ آلومینیوم است که داخل سیلندر حرکت رفت و برگشتی دارد و فشار ناشی از احتراق سوخت و هوا را از طریق گژن پین و شاتون به میل لنگ منتقل می‌کند. سر پیستون کمی کوچک‌تر از دامنه آن و مقطعش کمی بیضوی ساخته می‌شود تا پس از گرم شدن، به‌درستی داخل سیلندر جا بیفتد. صدای کوبش پیستون از نیروی جانبی شاتون و برخورد پیستون به دیواره سیلندر ایجاد می‌شود و هرچه لقی پیستون در سیلندر بیشتر باشد، این صدا بلندتر است. فلش یا حرف F روی پیستون هم نشان می‌دهد که پیستون باید با این علامت رو به جلوی موتور نصب شود. شایع‌ترین خرابی‌های پیستون ذوب شدن، سایش شدید و گرفتن، و شکستن است که در هر سه حالت باید پیستون تعویض شود.

پیستون خودرو چیست و چه وظیفه‌ای دارد؟

پیستون خودرو قطعه‌ای استوانه‌ای است که داخل سیلندر حرکت خطی می‌کند و فشار ناشی از احتراق سوخت و هوا را به نیرو تبدیل می‌کند. این نیرو از طریق گژن پین به شاتون و از آنجا به میل لنگ منتقل می‌شود. جنس پیستون موتور خودروهای سواری از آلیاژ آلومینیوم است و به روش ریخته‌گری و ماشین‌کاری ساخته می‌شود. آب‌بندی بین پیستون و دیواره سیلندر هم به‌وسیله رینگ‌هایی انجام می‌شود که در شیارهای دور پیستون نصب شده‌اند؛ ساختار و انواع این رینگ‌ها را در مقاله رینگ پیستون چیست توضیح داده‌ایم.

ساختار و مشخصات هندسی پیستون

چرا سر پیستون کوچک‌تر از دامنه آن است؟

سر پیستون مستقیماً در معرض حرارت ناشی از احتراق سوخت و هوا قرار دارد و بیشتر از بقیه قسمت‌های پیستون انبساط پیدا می‌کند. به همین دلیل در طراحی پیستون خودرو، مطابق شکل زیر، قطر بالای آن را کمی کوچک‌تر از قطر پایین آن در نظر می‌گیرند و پیستون تقریباً به‌صورت مخروطی ساخته می‌شود.

مخروطی بودن پیستون خودرو

شیارهای افقی و عمودی دیواره پیستون

مطابق شکل زیر، روی دیواره پیستون شیارهای افقی و عمودی ایجاد می‌کنند تا انبساط و انقباض پیستون کنترل شود و انعطاف‌پذیری آن در برابر ضربات احتراق بهینه شود.

شیار افقی و عمودی پیستون خودرو

بیضوی بودن مقطع پیستون

قطر پیستون در جهت عمود بر محور گژن پین را بزرگ‌تر از قطر پیستون در جهت گژن پین در نظر می‌گیرند؛ به عبارت دیگر، پیستون را به‌صورت بیضوی می‌سازند تا بعد از گرم شدن و انبساط، مقطع آن به دایره کامل تبدیل شود.

حرکت پیستون در سیلندر و علت صدای کوبش پیستون

سمت پرفشار و کم‌فشار پیستون و سیلندر

شکل زیر رفتار پیستون، شاتون و گژن پین را در دو کورس تراکم و احتراق از نمای جلوی موتور نشان می‌دهد.

a) کورس تراکم b) پیستون در TDC c) کورس قدرت
Fs: مؤلفه جانبی نیروی شاتون در کورس احتراق – Fc: نیروی شاتون در کورس احتراق
1- نیروی احتراق 2- خط مرکزی سیلندر، پیستون، گژن پین و میل لنگ 3- سمت فشاری یا پرفشار سیلندر و پیستون 4- لقی بین سیلندر و پیستون 5- سطح کم‌فشار پیستون 6- نیروی شاتون در کورس تراکم 7- مؤلفه جانبی نیروی شاتون در کورس تراکم 8- فشار تراکم 9- نیروی مخلوط سوخت و هوای متراکم‌شده در کورس تراکم

رفتار پیستون خودرو، شاتون و گژن پین در کورس تراکم و احتراق

در حالت a از شکل بالا دیده می‌شود که در کورس تراکم، شاتون پیستون را ضمن حرکت به سمت بالا به سمت راست سیلندر هم فشار می‌دهد؛ از این رو در کورس تراکم سمت راست سیلندر تحت فشار و سایش قرار می‌گیرد و به این سمت، سمت کم‌فشار سیلندر و پیستون گفته می‌شود، در حالی که به سمت چپ پیستون و سیلندر نیرویی وارد نمی‌شود.

در حالت b، پیستون در نقطه مرگ بالا یا TDC قرار دارد و نیرویی به سمت چپ و راست سیلندر و پیستون وارد نمی‌شود. به محض اینکه زاویه شاتون مطابق حالت c به سمت کورس احتراق منحرف می‌شود، فشار احتراق پیستون را به‌سرعت به سمت چپ سیلندر می‌راند. این حرکت سریع باعث ضربه به سمت چپ سیلندر و تولید صدا می‌شود و این سمت را به‌شدت تحت فشار و سایش قرار می‌دهد؛ از این رو سمت چپ سیلندر را سمت فشاری یا سمت پرفشار پیستون و سیلندر می‌نامند.

آفست گژن پین؛ راهکار کاهش صدا و سایش

برای کاهش سر و صدای کوبش پیستون به سیلندر و همچنین کاهش سایش سمت چپ سیلندر و پیستون، مطابق شکل زیر مرکز گژن پین را از خط مرکزی پیستون جابه‌جا کرده و به سمت چپ سیلندر نزدیک می‌کنند.

a) کورس تراکم b) پیستون در TDC c) کورس قدرت
1- سمت پرفشار سیلندر 2- کج شدن پیستون در نقطه TDC و جذب ضربه 3- مقدار انحراف گژن پین به سمت چپ پیستون 4- سمت کم‌فشار سیلندر 5- فشار مخلوط سوخت و هوا در کورس تراکم

انحراف گژن پین به سمت چپ پیستون و سیلندر و کاهش ضربه و سایش سمت چپ سیلندر و پیستون

در این حالت، با توجه به وضعیت a در شکل بالا، توزیع فشار تراکم و احتراق روی سمت راست سر پیستون بیشتر از سمت چپ آن است. از این رو در کورس تراکم، پیستون بیشتر به قسمت راست سیلندر تکیه می‌کند و نیروی جانبی بین سمت راست سیلندر و پیستون بیشتر می‌شود. هنگامی که پیستون به TDC می‌رسد، به دلیل توزیع فشار نامتقارن روی سر پیستون، پیستون کج می‌شود و قسمت بالای سمت راست و پایین سمت چپ پیستون با دیواره سیلندر در تماس قرار می‌گیرند.

با انحراف شاتون از حالت قائم در کورس احتراق، مطابق حالت c، پیستون به‌تدریج از حالت کج‌شدگی به سمت چپ سیلندر تمایل پیدا می‌کند و ضربه و سایش سمت چپ سیلندر و پیستون کاهش می‌یابد. در هنگام پایین رفتن پیستون هم به دلیل کمتر بودن فشار وارد بر سمت چپ سر پیستون نسبت به سمت راست آن، نیروی بین سیلندر و پیستون در سمت چپ کمتر می‌شود و سایش سمت راست و چپ سیلندر و پیستون یکنواخت‌تر می‌شود.

باید توجه داشت که در این حالت پیستون به‌صورت ناگهانی از سمت راست به سمت چپ سیلندر منحرف نمی‌شود، بلکه تغییر وضعیت آن طی یک فرایند تدریجی انجام می‌شود: پیستون در کورس تراکم به سمت راست سیلندر تکیه می‌کند، در مجاورت TDC کج می‌شود و پس از عبور از TDC، به‌تدریج از حالت کج‌شدگی خارج شده و به‌طور ملایم و پیوسته به سمت چپ سیلندر تکیه می‌کند. نتیجه این فرایند، کاهش ضربه، سر و صدا و سایش بیش از حد است.

علائم لقی پیستون و تشخیص صدای آن

وقتی لقی بین پیستون و سیلندر به دلیل سایش پیستون یا سیلندر از حد مجاز بیشتر شود، کوبش پیستون به دیواره سیلندر که در بالا توضیح داده شد شدیدتر می‌شود و به‌صورت صدای کوبش یا تق‌تق فلزی از بدنه موتور شنیده می‌شود. این صدا معمولاً وقتی موتور سرد است بلندتر است و با گرم شدن موتور و انبساط پیستون کمتر می‌شود. علاوه بر صدا، لقی زیاد پیستون معمولاً با افت کمپرس و قدرت موتور، افزایش مصرف روغن و دود آبی از اگزوز (روغن‌سوزی) و افزایش گازهای خروجی از کارتل همراه است.

برای تشخیص، صدا را با گوشی مکانیکی از کنار بلوک سیلندر بررسی می‌کنند؛ صدای پیستون از بدنه سیلندر شنیده می‌شود، در حالی که صدای سوپاپ و تایپت از بالای موتور و سرسیلندر می‌آید (علائم خرابی سوپاپ). سپس با کمپرس‌ سنجی و نشتی سنجی وضعیت آب‌بندی سیلندرها کنترل می‌شود و تشخیص نهایی پس از باز کردن موتور، با اندازه‌گیری قطر سیلندر و مقایسه لقی پیستون در سیلندر با لقی مجاز پیستون و سیلندر انجام می‌شود.

علامت فلش و حرف F روی پیستون؛ جهت نصب پیستون در سیلندر

همان‌طور که گفته شد، مرکز گژن پین روی محور پیستون قرار ندارد؛ بنابراین هنگام مونتاژ پیستون داخل سیلندر باید دقت کرد که در دید از روبه‌روی یک موتور راست‌گرد، فاصله کمتر مرکز گژن پین تا لبه پیستون به سمت چپ یا سمت پرفشار سیلندر قرار بگیرد. به همین دلیل و برای سهولت نصب، مطابق شکل زیر روی سر پیستون علامت یا فلشی حک می‌شود که هنگام مونتاژ باید آن را به سمت جلوی موتور قرار داد.

علامت فلش روی سر پیستون

علامت روی پیستون که باید به سمت جلوی موتور باشد

در برخی موارد، مطابق شکل زیر، کنار گژن پین و روی بدنه پیستون خودرو حرف F درج می‌شود؛ این حرف نشان می‌دهد که هنگام نصب پیستون داخل سیلندر، سمت دارای حرف F باید به سمت جلوی موتور باشد.

حرف F روی پیستون

پس از نصب پیستون، چیدمان رینگ‌ها و زاویه دهانه آن‌ها هم اهمیت زیادی دارد که در مقاله نحوه چیدمان رینگ پیستون به آن پرداخته‌ایم.

علائم خرابی پیستون و علت آن‌ها

شایع‌ترین خرابی‌های پیستون ذوب شدن، سایش شدید و گرفتن، و شکستن است. جدول زیر علت‌های اصلی هر کدام را خلاصه می‌کند:

ذوب شدن پیستون

مطابق شکل زیر، پیستون موتور به دلایل زیر ذوب می‌شود و باید نسبت به تعویض آن اقدام کرد:

• کاهش اکتان بنزین
• ورود بیش از حد مجاز هوا به موتور
• تناسب نداشتن سیستم توربوشارژر با مشخصات موتور
• ضعف در آلیاژ پیستون خودرو
• نقص در فرایند ساخت پیستون خودرو

ذوب شدن پیستون

سایش شدید و گرفتن پیستون

مطابق شکل زیر، پیستون خودرو به دلایل زیر دچار سایش شدید می‌شود و باید پس از باز کردن موتور تعویض شود. در حالت‌های شدیدتر، کمبود روغن و دمای بیش از حد باعث می‌شود پیستون به دیواره سیلندر بچسبد و اصطلاحاً موتور «پیستون بگیرد»:

• نامرغوب بودن روغن موتور
• کمبود روغن موتور
• بروز نقص در سیستم روغن‌کاری
• افزایش بیش از حد دمای موتور (داغ کردن موتور)
• مونتاژ نادرست پیستون
• وجود جسم خارجی بین سیلندر و پیستون خودرو
• اعمال بار بیش از حد در دور بالا و به مدت طولانی به موتور

سایش غیرمعمول پیستون

شکستن پیستون

مطابق شکل زیر، به دلیل استفاده از بنزین نامرغوب، پایین بودن اکتان بنزین، رانندگی تحت بار و دور بالا به مدت طولانی و روغن‌کاری و خنک‌کاری نامناسب، پیستون دچار شکستگی می‌شود که پس از باز کردن موتور باید نسبت به تعویض آن اقدام کرد.

شکستن پیستون

جمع‌بندی

پیستون قطعه‌ای آلومینیومی است که فشار احتراق را به حرکت تبدیل می‌کند و از طریق گژن پین و شاتون به میل لنگ می‌رساند. برای اینکه پیستون پس از گرم شدن به‌درستی داخل سیلندر کار کند، سر آن کوچک‌تر از دامنه و مقطع آن بیضوی ساخته می‌شود. نیروی جانبی شاتون باعث می‌شود پیستون در کورس احتراق به سمت پرفشار سیلندر ضربه بزند؛ آفست گژن پین این ضربه و صدا را کم می‌کند و به همین دلیل پیستون باید با فلش یا حرف F رو به جلوی موتور نصب شود.

صدای کوبش در موتور سرد، افت کمپرس و روغن‌سوزی از نشانه‌های لقی زیاد پیستون است و ذوب شدن، سایش شدید و گرفتن، و شکستن هم شایع‌ترین خرابی‌های پیستون هستند که بیشتر به کیفیت سوخت، روغن‌کاری، دمای موتور و مونتاژ درست برمی‌گردند. مونتاژ پیستون و تشخیص این خرابی‌ها از مهارت‌هایی است که در دوره آموزش تعمیر موتور XU7 و EF7 به‌صورت عملی آموزش داده می‌شود.

سوالات متداول

فلش روی پیستون به چه معناست؟

فلش یا علامت روی سر پیستون جهت نصب آن را نشان می‌دهد و هنگام مونتاژ باید رو به جلوی موتور قرار بگیرد. چون مرکز گژن پین روی محور پیستون نیست، این علامت تضمین می‌کند که آفست گژن پین به سمت پرفشار سیلندر باشد. در برخی پیستون‌ها به جای فلش، حرف F کنار گژن پین درج می‌شود که آن هم باید رو به جلوی موتور باشد.

سمت پرفشار پیستون کجاست؟

سمت پرفشار یا سمت فشاری، سمتی از سیلندر است که پیستون در کورس احتراق با نیروی جانبی شاتون به آن فشرده می‌شود؛ در دید از روبه‌روی یک موتور راست‌گرد، این سمت چپ سیلندر است. سمت مقابل، که پیستون در کورس تراکم به آن تکیه می‌کند، سمت کم‌فشار نام دارد.

علت صدای پیستون چیست؟

صدای پیستون از کوبش پیستون به دیواره سیلندر ایجاد می‌شود؛ پس از عبور از TDC، نیروی جانبی شاتون پیستون را به سمت پرفشار سیلندر می‌راند. اگر لقی پیستون در سیلندر به دلیل سایش بیش از حد مجاز شود، این کوبش شدیدتر و صدای آن بلندتر می‌شود؛ این صدا معمولاً در موتور سرد بیشتر شنیده می‌شود.

علت ذوب شدن پیستون چیست؟

مهم‌ترین علت‌های ذوب شدن پیستون کاهش اکتان بنزین، ورود بیش از حد مجاز هوا به موتور، تناسب نداشتن توربوشارژر با مشخصات موتور، و ضعف آلیاژ یا نقص در ساخت پیستون است. پیستون ذوب‌شده باید تعویض شود.

اگر پیستون خراب شود چه اتفاقی می‌افتد؟

پیستون آسیب‌دیده آب‌بندی سیلندر را از بین می‌برد و باعث افت کمپرس و قدرت موتور، روغن‌سوزی و صدای غیرعادی می‌شود. در صورت ذوب شدن، سایش شدید یا شکستن، پیستون باید پس از باز کردن موتور تعویض شود؛ ادامه کار با پیستون شکسته می‌تواند به سیلندر و قطعات دیگر موتور آسیب جدی بزند.