PZM – Motoryzacja

Ciężar właściwy

Tłok wraz ze sworzniem i pierścieniami stanowi największą z mas posuwisto-zwrotnych, które zwłaszcza przy dużych prędkościach obrotowych mają istotny wpływ na obciążenie łożysk i wymaganą wielkość przeciwciężarów, a tym samym i na masę całego silnika. Mały ciężar właściwy stopów aluminium zadecydował o szerokim ich zastosowaniu do wyrobu tłoków. Tłok żeliwny mimo cieńszych ścianek, na co pozwala duża wytrzymałość żeliwa w wysokich temperaturach, ma większą masę niż tłok ze stopu lekkiego. Na rysunku w książce Niewiarowskiego „Tłokowe silniki spalinowe” pokazano orientacyjną zależność mas tłoków od ich średnicy, uwarunkowaną zarówno ciężarem właściwym materiału, jak też i konstrukcją. Na wykresie tym naniesiono ponadto proste jednostkowej masy tłoka mt/D3 (m, – masa tłoka w kg, D – średnica cylindra w cm); jest to najlepszy wskaźnik masy do porównywania tłoków różnych wymiarów i kształtów. Wielkość D3 jest objętością walca V o średnicy D i długości równej całkowitej długości tłoka (co stanowi wartość średnią dla wielu tłoków).

Przewodność cieplna

Przewodność cieplna decyduje o temperaturze tłoka. Większemu współczynnikowi przewodności cieplnej odpowiadają niższe temperatury tłoka podczas pracy silnika. Między denkiem tłoka, a częścią prowadzącą występuje znaczny spadek temperatur, ponieważ pierścienie tłokowe odprowadzają na ścianki cylindra znaczną część ciepła przejmowanego przez denko. Rozszerzalność cieplna materiałów tłoka i cylindra ma istotny wpływ na luzy pomiędzy tymi elementami, przy czym należy uwzględnić cały zakres możliwych warunków pracy – od rozruchu silnika w niskiej temperaturze otoczenia aż do jego dopuszczalnego przeciążenia. Rozszerzalność cieplna stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. Stanowi to poważną wadę stopów lekkich, jednak przez odpowiednią konstrukcję tłoka niedogodność tę można w znacznym stopniu złagodzić, a nawet niemal całkowicie usunąć. Ścieralność stopów lekkich jest znacznie większa niż żeliwa. W stopach lekkich głównym składnikiem zmniejszającym ścieralność jest twardy krzem. Korzystny wpływ mają również małe dodatki miedzi, niklu i magnezu.

Zadania i warunki pracy

Tłok przekazuje siły wynikające z ciśnienia gazów za pośrednictwem korbowodu na wał silnika oraz prowadzi górną część korbowodu. W silnikach wodzikowych wymagane prowadzenie korbowodu zapewnia wodzik. Duże przyspieszenia tłoka w ruchu posuwisto-zwrotnym wywołują znaczne siły bezwładności. Poważne obciążenie spowodowane ciśnieniem gazów i siłami bezwładności, przy dużej prędkości ruchu i braku możliwości zapewnienia warunków tarcia płynnego, decyduje o wielkości pracy tarcia, a więc w pewnym stopniu i o zużyciu tłoka oraz gładzi cylindrowej. Zwykle w obliczeniach naprężeń w elementach układu korbowego silnika wolnobieżnego, wywołanych siłami ciśnienia gazów, nie uwzględnia się zmniejszającego te naprężenie oddziaływania sił bezwładności. W silnikach szybkobieżnych, w których mogą występować bardzo duże siły bezwładności, właściwy obraz obciążeń otrzymuje się obliczając poszczególne siły z uwzględnieniem i bez uwzględnienia sił bezwładności. Dotyczy to zwłaszcza silników pracujących ze zmiennymi prędkościami obrotowymi.

Materiały, półfabrykaty i obróbka cieplna

Warunki pracy tłoka w cylindrze są niekorzystne, ze względu na wysokie ciśnienie, temperaturę oraz prędkość. Wysokie temperatury pogarszają właściwości mechaniczne metalu, z którego wykonany jest tłok, a różnice lokalnych temperatur poszczególnych części lub powierzchni tłoka (zwłaszcza w dużych silnikach) powodują dodatkowo powstawanie wewnętrznych naprężeń cieplnych, które mogą wywoływać pęknięcia. Wskutek nagrzewania się lub ostygania tłoka zmieniają się jego wymiary, co może doprowadzić do naruszenia ustalonych luzów w miejscach współpracy z, innymi elementami i wywołać zatarcie tłoka w cylindrze (np. przy niewłaściwym doborze materiału) lub przegrzaniu tłoka w wyniku uszkodzenia układu chłodzenia. O wyborze materiału na tłoki decydują następujące jego właściwości: gęstość, przewodność i rozszerzalność cieplna, ścieralność, twardość oraz wytrzymałość na stałe i zmienne obciążenia w podwyższonych temperaturach. Istotne znaczenie ma również obrabialność i właściwości odlewnicze dla tłoków odlewanych.