مکانیک خودرو تخصصی -بخش 13

رينگ پيستون

با توجه به وجود لقی قابل توجه بین پیستون و سیلندر، اگر مخلوط سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده از این فضای لقی عبور کند، فشار به نیرو تبدیل نمی‌شود و بنابراین راندمان مکانیکی موتور کاهش می‌یابد لذا براي جلوگيري از نشتی سوخت و هواي فشرده شده در زمان تراكم و گاز محترق شده در زمان احتراق، از رينگ بين سيلندر و پيستون به عنوان عامل آب‌بندي كننده استفاده مي‌شود. جنس رینگ پیستون معمولا از چدن داکتیل و فولاد با لبه سختکاری شده با کروم است تا قادر باشد تحت دما، فشار و نیروهای مختلف، ابعاد هندسی خود را به نحوی حفظ کند که از نشتی پیشگیری کرده و باعث افزایش راندمان مکانیکی موتور شود.
شكل 1 رینگ‌های پیستون موتور بنزینی را نشان مي‌دهد.

1-رینگ کمپرسی اول 2-رینگ کمپرسی دوم 3-رینگ روغنی
شكل 1-رینگ‌های پیستون موتور بنزینی

مطابق شکل 2 از سمت بالای پیستون، رینگ‌های اول و دوم را رینگ‌های کمپرسی اول و دوم و رینگ سوم را رینگ روغنی می‌گویند.

1-رینگ‌های کمپرسی 2-رینگ روغنی 3-رینگ کمپرسی اول 4-رینگ کمپرسی دوم 5-رینگ روغنی
شکل 2-رینگ‌های کمپرسی و روغنی پیستون

رينگ هايي كه وظيفه جلوگيري از نشتی سوخت و هواي فشرده شده در زمان تراكم يا گاز محترق شده در زمان احتراق را برعهده دارند، رينگ هاي كمپرسي ناميده مي‌شوند و عملكرد آنها مطابق شكل 3 است. ملاحظه مي‌شود كه در هنگام بالا رفتن پيستون مقداري گاز متراكم شده بين رينگ و پيستون قرار گرفته و باعث باز شدن رينگ مي‌شود. در اين صورت رينگ با نيروي بيشتري به جداره سيلندر چسبيده و از نشت سوخت و هواي فشرده شده جلوگيري مي‌شود. درهمين حالت قسمت پاييني رينگ نيز به جا رينگي چسبيده و از نشت سوخت و هواي فشرده شده از شيار جارينگي نيز جلوگيري مي‌شود. در هنگام پايين آمدن پيستون، فشار گاز درحال كاهش بوده و نيروي رينگ به تنهايي عمل آب‌بندي را انجام مي‌دهد.

1-بوش سیلندر 2-سوخت و هوای محترق شده در محفظه احتراق 3-پیستون
شكل 3-نحوه عملكرد رينگ كمپرسی

از آنجایی که وظیفه رینگ، آب‌بندی و پیشگیری از نشتی سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده به محفظه لنگ موتور است، لذا باید در محل خود به راحتی قابلیت انبساط، انقباض، باز شدن و بسته شدن را داشته باشد لذا رینگ‌ها بايد به راحتي در جا رينگي پيستون قرار گرفته و اجازه حركت داشته باشند. از اين‌رو مطابق شكل 4 لقي تقريبي بین رینگ و جارینگی برای رینگ‌های کمپرسی به اندازه 0/05 ميلي‌متر و برای رینگ‌های روغنی به اندازه0/04 ميلي‌متر است که بوسيله فيلر قابل اندازه‌گیری است. قبل از نصب رینگ روی پیستون، لقی بین رینگ و جارینگی برای تمامی رینگ‌ها باید اندازه‌گیری شود و در صورت کم بودن لقی، باید نسبت به تمیز کردن جارینگی اقدام کرد.

شكل 4-كنترل لقی بين رينگ و جا رينگی

از طرفي در دمای محیط مطابق شکل 5 با قرار دادن رینگ درون سیلندر باید دهانه رينگ تقريباً 0/03 ميلي‌متر به ازاي هر سانتي‌متر قطر باز باشد تا هنگام داغ شدن رینگ، فضا برای انبساط آن وجود داشته باشد و از شکسته شدن رینگ پیشگیری شود. در صورت كم بودن فاصله مذكور می‌توان با سوهان نرم نسبت به سائيدن دهانه رينگ و ايجاد لقي مناسب اقدام نمود. در صورت زياد بودن لقي بايد رينگ را تعويض کرد و يا در صورت سايش زياد سيلندر تعميرات لازم را براي سيلندر در نظر گرفت.

شكل5-كنترل باز بودن دهانه رينگ درون سيلندر

هرچقدر نیروی جانبی که رینگ به بدنه سیلندر اعمال می‌کند بیشتر باشد، عملیات آب‌بندی با دقت بیشتری انجام می‌شود ولی اصطکاک بین رینگ و سیلندر نیز زیاد می‌شود و این موضوع باعث افزایش سایش رینگ و سیلندر، کاهش راندمان مکانیکی موتور و داغ کردن موتور می‌شود. لذا باید رینگ کمپرسی را به نحوی طراحی کرد که در اواسط تا اواخر زمان تراکم و در اوایل تا اواسط زمان احتراق که بیشترین فشار سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده است، نیروی شعاعی رینگ زیاد شود و آب‌بندی مطلوبی را انجام دهد و در بقیه زمان‌ها که در داخل سیلندر فشار قابل توجهی وجود ندارد، نیروی شعاعی رینگ نیز کاهش یابد تا راندمان مکانیکی موتور افزایش یافته و از استهلاک قطعات موتور و داغ کردن موتور نیز پیشگیری شود. به طور مثال با توجه به شکل 6 روی سطح داخلی رینگ کمپرسی اول شیار یا پخی ایجاد می‌شود که با نفوذ مخلوط سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده به محفظه بین رینگ و پیستون، نیروی شعاعی رینگ شامل دو بخش به شرح زیر می‌شود:
FSp: این نیرو، نیروی ناشی از حالت فنریت رینگ است که به طور مداوم و همیشگی از سوی رینگ به سیلندر اعمال می‌شود.
FGas: این نیرو، نیروی ناشی از اعمال فشار مخلوط سوخت و هوای فشرده شده یا محترق شده به داخل رینگ است که فقط زمانی تولید می‌شود که فشار وجود داشته باشد و بنابراین این نیرو در اواسط تا اواخر زمان تراکم و اوایل تا اواسط زمان احتراق تولید می‌شود و باعث آب‌بندی خوب در اواخر زمان تراکم و اوایل زمان احتراق می‌شود.

1-سیلندر 2-محفظه احتراق 3-پیستون 4-رینگ
شکل 6-نحوه تولید نیروی شعاعی رینگ پیستون

لذا با توجه به شکل 7 بعضا در مقطع رینگ‌های کمپرسی و بخصوص رینگ کمپرسی اول تغییرات هندسی لحاظ می‌کنند تا اهداف فوق محقق شود.

شکل 7-انواع مختلف رینگ‌های کمپرسی

aوg : در اين حالت رينگ داراي شيار داخلي است. اين نوع از رينگ‌ها به عنوان رينگ اول كمپرسي يا بالاترين رينگ پيستون مورد استفاده قرار مي‌گيرند و پله داخلي آنها بايد به سمت بالا باشد. در اين حالت در كورس تراكم فشار گاز در حال تراكم به پله داخلي نيرو اعمال كرده و باعث مي شود كه رينگ با نيروي بيشتري به جداره سيلندر چسبيده و عمل آب‌بندي را بهتر انجام مي‌دهد.
fوdوb : در اين حالات هر دو سمت رينگ يكسان بوده و نحوة نصب اين نوع رينگ اهميتي ندارد. از اين نوع رينگ مي‌توان به عنوان اولين يا دومين رينگ كمپرسي استفاده کرد.
c : در اين حالت كه ديواره يا سطح جانبي رينگ به صورت شيبدار ساخته شده است، بايد لبه تيز رينگ به سمت پايين باشد تا هنگام بالا رفتن پيستون، اين رينگ برروي لايه روغن یا چربی موجود بر روی دیواره سیلندر ليز خورده و از جارو كردن روغن‌هاي جداره سيلندر به سمت محفظه احتراق جلوگيري كند و در هنگام پايين رفتن پيستون، لبه تيز رينگ كه به سمت پايين است مانند لبه يك تیز عمل كرده و روغن‌های موجود برروي جداره سيلندر را تراشيده و به داخل پيستون و نهايتاً كارتل ارسال مي‌كند. اين نوع رينگ بايد به عنوان دومين رينگ كمپرسي مورد استفاده قرار گیرد.
e : در اين وضعيت جارينگي شيبدار بوده ولي رينگ داراي جهت خاصي براي نصب كردن نبوده و مي‌توان به صورت دلخواه آنرا نصب كرد.
h‌: در اين حالت كه رينگ داراي پلة خارجي است، پله خارجی بايد به سمت پايين بوده تا مانند رينگ نوع c عمل کند و اين نوع رينگ نيز در دومين جارينگي رينگ‌هاي كمپرسي مورد استفاده می‌گيرد.
در برخي موارد مطابق شکل 8 بر روي يكي از سطوح رينگ كلمه TOP حك شده است، كه در اين صورت قسمتي كه كلمه TOP بر روی آن درج شده است بايد به سمت بالا باشد.

شکل 8-درج کلمه TOP بر روی رینگ پیستون

مطابق شکل زیر رینگ روغنی یا سه پارچه و یا تک پارچه طراحی و عرضه می‌شود.
نحوه عملكرد رينگ روغني نيز در شكل 9 نشان داده شده است.

1-فیلم روغن 2-بوش سیلندر 3-جهت حرکت پیستون 4-پیستون 5-جهت حرکت روغن 6-برگشت روغن به کارتل 7-رینگ کمپرسی اول 8-رینگ کمپرسی دوم 9-رینگ روغنی
شكل 9-نحوه عملكرد رينگ روغنی

همانگونه كه ملاحظه مي‌شود با وجود لبه شيبدار سطح جانبی رینگ کمپرسی دوم، هنگامی كه پيستون و رينگ به سمت بالا حركت مي‌كنند، رينگ بر روي لاية روغن روي جدارة سيلندر لغزيده و از جارو كردن روغن به سمت محفظة احتراق جلوگيري می‌کند، درحاليكه هنگام حركت رينگ و پيستون به سمت پايين، لبه تيز رينگ، روغن را از روي ديوارة سيلندر جارو کرده و به محوطه رینگ روغنی ارسال می‌کند و رینگ روغنی نیز با جارو کردن روغن روی جداره سیلندر، روغن را از طريق جا رينگي، سوراخ‌ها و شيارهاي جاررينگي به داخل پيستون و نهايتاً به درون كارتل هدايت مي‌کند. در اين صورت از باقي ماندن حجم زیاد روغن برروي جداره سيلندر و سوختن و ايجاد روغن سوزي و توليد دود آبي جلوگيري مي‌شود و تنها لایه‌ای نازک از روغن روی سطح سیلندر باقی می‌ماند که به آن فیلم روغن گفته می‌شود. از آنجایی که ضخامت این فیلم روغن بسیار کم است، حرارتی که ناشی از احتراق سوخت و هوا به آن منتقل می‌شود، این فیلم نیز عینا به بوش سیلندر منتقل می‌کند و بنابراین این فیلم روغن هرگز نمی‌سوزد و بلکه عامل روانکاری حرکت رینگ‌ها روی سطح سیلندر نیز است. شکل زیر نمایی دیگر از عملکرد رینگ روغنی را نشان می‌دهد.
شکل 10 نحوه جمع کردن روغن از روی سطح سیلندر را به طور واضح‌تری نشان می‌دهد.

1-سیلندر 2-محفظه احتراق 3-پیستون 4-رینگ کمپرسی اول 5-رینگ کمپرسی دوم 6-لبه بالایی رینگ روغنی 7-لایه آکاردئونی رینگ روغنی 8-لبه پایینی رینگ روغنی 9-جهت حرکت پیستون 10-برگشت روغن به کارتل از طریق سوراخ‌های پیستون
شكل 10-نحوه جمع کردن روغن از روی سطح سیلندر

همانگونه که ملاحظه می‌شود، روغن روی سطح سیلندر در سه مرحله توسط لبه پایین رینگ روغنی، لبه بالای رینگ روغنی و لبه تیز رینگ کمپرسی دوم از روی جداره سیلندر تراشیده می‌شود و تنها لایه‌ای از چربی که فیلم روغن را تشکیل می‌دهد برای روغنکاری رینگ کمپرسی اول باقی می‌ماند که به دلیل کم بودن ضخامت آن، حرارت ناشی از سوختن هوا و سوخت که دریافت می‌کند را به بوش سیلندر منتقل می‌کند و بنابراین از سوختن آن پیشگیری می‌شود در حالیکه با ضعیف شدن تدریجی نیروی فنریت رینگ یا سائیده شدن جداره سیلندر، ضخامت فیلم روغن زیاد می‌شود و قابلیت انتقال حرارت آن کاهش می‌یابد و بنابراین موتور دچار روغن‌سوزی می‌شود که با تعویض رینگ، تراش سیلندر یا تعویض بوش سیلندر مشکل حل می‌شود.
رینگ روغنی به صورت یکپارچه یا سه‌پارچه مطابق شکل 11 تولید و عرضه می‌شود.

رینگ روغنی سه‌پارچه                            رینگ روغنی یک‌پارچه
1-لبه بالایی رینگ روغنی 2-لبه پایینی رینگ روغنی 3-فاصله‌انداز بین لبه‌های بالایی و پایینی 4-رینگ روغنی یک‌پارچه 5-فنر رینگ روغنی یک‌پارچه
شكل 11-انواع رينگ‌های روغنی

انواع رينگ هاي روغني و نحوة نصب آنها برروي پيستون در شكل 12 نشان داده شده است.

شكل 12-انواع رينگ های روغنی و نحوه نصب آنها

cوa : وجود سطح شيبدار برروي لبة بیرونی رينگ روغني، در اين صورت بايد سطح شيبدار به سمت بالا باشد تا در هنگام بالا رفتن پیستون، اين رينگ برروي لايه روغن لغزيده و در هنگام پايين آمدن پيستون، اين رينگ، روغن را از روي جداره سيلندر جارو کرده و به سمت کارتل هدایت می‌کند.
cوb : وجود پله برروي لبة بیرونی رينگ روغني، در اين صورت بايد پله به سمت پايين قرار گرفته و منجر به جاروي بهتر روغن از روي ديوارة سيلندر مي‌شود.
بقيه حالات معمولاً جهت نصب ندارد، مگر آنكه برروي آن كلمه TOP حك شده باشد كه در اين صورت سمتي كه كلمه TOP حك شده بايد به سمت بالا قرار گيرد.

1-رینگ روغنی بالا 2-رینگ روغنی پایین 3-فاصله‌انداز لبه بالا و پایینی رینگ روغنی 4-رینگ کمپرسی اول 5-رینگ کمپرسی دوم 6-پیستون 7-محل استقرار گژن‌پین F:جهت نصب پیستون به سمت جلوی موتور
شکل 13-نحوه چیدمان رینگ‌ها روی پیستون