معرفی پیستون و رینگ پیستون + دلایل و علائم خرابی

پیستون یک عضو کلیدی در موتور‌های رفت و برگشتی است. موتور رفت و برگشتی (reciprocating engine) یا موتور پیستونی (Piston Engine) یک ماشین گرمایی است که با استفاده از یک یا چند پیستون حرکت رفت و برگشتی انجام می‌دهد و انرژی گرمایی ایجاد شده را به حرکت دورانی تبدیل می‌کند.

پیستون نقش مهمی در سیستم احتراق خودرو دارد بنابراین عملکرد صحیح آن بسیار حیاتی است. آسیب به اجزای پیستون خودرو می‌تواند آسیب جدی‌ به سایر قطعات موتور خودرو وارد کند. در این مطلب به جزئیات مهم درباره پیستون، از معرفی این قطعه تا نکات تعمیر و نگهداری آن، می‌پردازیم.

پیستون چیست؟

پیستون (Piston) پیستون قطعه‌ای استوانه‌ای است که در داخل سیلندر موتور به جلو و عقب حرکت می‌کند. پیستون معمولاً از مواد سبک وزن و با استحکام بالا مانند آلیاژ آلومینیوم و چدن ساخته می‌شوند. پیستون در داخل سیلندر مهر و موم شده است و یک مانع متحرک را تشکیل می دهد که به تبدیل فشار ایجاد شده توسط احتراق سوخت و هوا به انرژی مکانیکی کمک می‌کند.

در موتورهای چهارزمانه پیستون خودرو تحت چهار مرحله‌ی مکش، تراکم، احتراق و تخلیه در تبدیل انرژی حاصل از احتراق به نیروی مورد نیاز برای کارکرد خودرو نقش مهمی ایفا می‌کند.

پیستون از طریق شاتون به میل لنگ متصل می‌شود. پیستون و شاتون در کنار هم مجموعه‌ی پیستون را می‌سازند. هر دو سر شاتون از بصورت محوری آزاد است و امکان چرخش دارد. سرکوچک شاتون به پیستون متصل می‌شود. سر بزرگ شاتون بوسیله دو عدد یاتاقان که به منظور کاهش اصطکاک دایما روغنکاری می‌شوند به میل لنگ متصل می‌شود.

مطالعه بیشتر: شاتون چیست و شاتون زدن یعنی چه؟

اجزای تشکیل دهنده پیستون در موتور خودرو

• تاج پیستون
• فرورفتگی میل سوپاپ
• حفره های تخلیه روغن
• دامن پیستون
• رینگ های پیستون
  • رینگ های فشار
  • رینگ کنترل روغن

تاج پیستون

به سطح بالایی پیستون تاج پیستون (به انگلیسی Crown) گفته می‌شود. تاج پیستون اشکال مختلفی دارد اما عموما بصورت گنبدی یا مقعر است و اغلب با یک ماده مقاوم در برابر حرارت مانند سرامیک پوشانده می‌شود تا به دوام آن کمک کند. از آنجایی که تاج پیستون مستقیما با گازهای داغ ناشی از احتراق در تماس است، این قسمت به شدت داغ و منبسط می‌شود. به همین دلیل یک فضای خالی 0.1 میلی‌متری (برابر با عرض موی انسان) بین تاج پیستون و دیواره سیلندر وجود دارد. برای ایجاد این شیار، پیستون باید به دقت ماشینکاری شود و از آلیاژهایی استفاده شود که متناسب با میزان انبساط گرمایی مدنظر باشد.

فرورفتگی سوپاپ

فرورفتگی سوپاپ در پیستون (به انگلیسی Valve Recess)، فرورفتگی است که در بالای سر پیستون ماشین کاری می شود تا شیر باز را در طول حرکت در خود جای دهد. این فرورفتگی معمولاً در موتورهای با تراکم بالا، به ویژه موتورهای دیزلی، که در آن فاصله کمتری بین پیستون و سوپاپ‌ها در مقایسه با موتورهای با تراکم پایین وجود دارد، یافت می‌شود.

گژن پین یا پین مچی

پیستون توسط یک لوله توخالی کوتاه به نام گژن پین (gudgeon pin) یا پین مچی (wrist pin) به سر کوچک شاتون متصل می‌شود. گژن پین یا پین مچی یا پین پیستون کل نیروی حاصل از احتراق را با شاتون منتقل می‌کند.

بوش پیستون

بوش پیستون که در برخی از خودورها از بلبرینگ استفاده میشود برای کاهش اصطکاک بین شاتون و پین پیستون در بین این دو قرار میگیرد.

گیره‌ی حلقه‌ای

گیره‌ی حلقه ای (snap ring, circlip) در یک شیار روی پیستون قرار می گیرد و از حرکت محوری پین پیستون (در طول پین) در داخل شاتون جلوگیری می کند. این تضمین می کند که پیستون و شاتون در حین کارکرد موتور به آرامی و به درستی با هم حرکت می کنند. اگر برای اتصال هر پیستون به شاتون به دو گیره‌ی حلقه‌ای نیاز داشته باشیم، در یک موتور ۴ سیلندر، ۸ گیره‌ی حلقه‌ای داریم.

دامن پیستون

پیستون در طول احتراق تنها در معرض نیروهای عمودی نیست و نیروهای کناری ناشی از تغییر زاویه شاتون هم به آن وارد می‌شود. بدلیل این نیروهای کناری و نیاز به اینکه پیستون همواره باید بصورت عمودی حرکت رفت و برگشتی را انجام دهد، یک قسمت اضافی در انتهای استوانه پیستون وجود دارد که بدلیل شباهتش به دامن به آن دامن پیستون (Piston Skirt) گفته می‌شود.

رینگ پیستون چیست؟

رینگ‌های پیستون (به انگلیسی Piston Rings) اطراف پیستون قرار می‌گیرند و فضای خالی بین پیستون و سیلندر را پر می‌کنند. عموما هر پیستون در سیلندر دارای سه رینگ پیستون است. رینگ‌های پیستون در شیارهای روی پیستون در ناحیه‌ای به نام تسمه پیستون (به انگلیسی Piston Belt) قرار می‌گیرند. به فضاهای بین این شیارها، زمین رینگ (به انگلیسی Ring Land) می‌گویند.

هر پیستون دارای سه رینگ پیستون است:

• رینگ فشار ۱
• رینگ فشار ۲
• رینگ کنترل روغن

رینگ‌های فشار ۱و۲

دو رینگ پیستون بالایی را رینگ فشار(Compression ring) می‌گویند و وظیفه آن‌ها جلوگیری از انتقال گازهای حاصل از انفجار از بالای پیستون به پایین پیستون و رسیدن به شاتون و میل لنگ است. عبور گاز از بین پیستون و دیواره سیلندر و ورود آن به بلوک سیلندر مطلوب نیست و به منظور حفظ فشرده سازی باید به حداقل برسد.

رینگ‌های فشار عمدتا از چدن ساخته می‌شوند و به دیوار سیلندر فشار می‌آورند. این فشار ناشی از خاصیت فنری این رینگ‌ها است و فرایند احتراق باعث بیشتر فشرده شدن رینگ‌های فشار به دیواره سیلندر می‌شود. در تصویر زیر نحوه عملکرد رینگ فشار و افزایش فشار وارده به دیواره سیلندر در طی فرایند احتراق نمایش داده شده است.

خوب است بدانید که رینگ‌های فشار اصلا به خود پیستون نیرویی وارد نمی‌کنند. شیارهای موجود روی پیستون عمیقتر از سایز رینگ‌های فشار هستند و به آن‌ها اجازه می‌دهند در نواری روغنی کار کنند.

نقش دیگر رینگ پیستون انتقال حرارت به دیواره سیلندر و انتقال گرما است. رینگ‌های پیستون دارای شیاری هستند که به آن گپ رینگ (Piston ring gap) گفته می‌شود و عرض این شیار توسط سازنده تعیین می‌شود. گپ رینگ امکان نصب رینگ فشار پیستون را فراهم می‌کند.

رینگ های کنترل روغن

به رینگ پایینی (رینگ سوم) در پیستون رینگ کنترل روغن (oil control ring) گفته می‌شود. روغن موتور دایما به دیواره سیلندر اسپری می‌شود. وظیفه رینگ کنترل روغن حذف روغن اضافی و ایجاد نوار روغنی کافی برای حرکت روان و با اصطکاک کمتر رینگ‌ها و پیستون در دیواره سیلندر است.

وجود روغن در محفظه احتراق باعث احتراق ناقص شده، آلودگی بیشتری تولید می‌کند و با افزایش میزان رسوب کربن روی سوپاپ‌ها و پیستون دود خروجی از اگزور آبی می‌شود. اصطلاحا به این حال روغن سوزی (blow-by) گفته می‌شود. روغن سوزی باعث کاهش سطح روغن شده و برای موتور خوب نیست.

اهمیت طراحی پیستون در موتور احتراق داخلی

موتورهای احتراق داخلی امروزه به طور گسترده‌ای در وسایل مختلفی مختلفی مانند اتومبیل، هواپیما، قایق و ژنراتور استفاده می‌شوند. اهمیت موتورهای احتراق داخلی در توانایی آن‌ها برای تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در سوخت به انرژی مکانیکی است. این انرژی می‌تواند برای تامین انرژی خودروها و تجهیزات مختلف مورد استفاده قرار گیرد.

حد اقل ۶۰ درصد از اصطکاک قطعات داخل موتور ناشی از پیستون است و بهبود در طراحی و ساخت پیستون اثر شدیدی روی مصرف سوخت دارد.

در هنگام تخت گاز و دور ۶۰۰۰ rpm پیستون در موتور بنزینی در هر ۰.۲ ثانیه تحت یک نیروی ۱۰ تنی قرار می‌گیرد و انفجارهای مکرر گرمای پیستون را به ۶۰۰ درجه فارنهایت (315 درجه سانتیگراد) می‌رساند.

از آنجاییکه خودروسازان به دنبال بهینه سازی بیشتر هستند، سازندگان قطعات یدکی و پیستون در حال آماده شدن برای آینده و خودروهایی با توان ۱۷۵ اسب بخار هستند که بسیار از ۱۳۰ اسب بخار کنونی بیشتر است. با اضافه شدن توربور شارژرها به خودروها فشار روی پیستون بیشتر خواهد شد. در دهه گذشته دمای کار پیستون بیش از ۵۰ درجه سانتیگراد بیشتر شد و فشار ماکزیمم داخل سیلندر از ۱۵۰۰ psi به ۲۲۰۰ psi افزایش یافت.

تاریخچه پیستون خودرو

تاریخچه پیستون به قرن هفدهم میلادی برمی‌گردد. مفهوم پیستون برای اولین بار توسط مخترع هلندی کریستیان هویگنس مطرح شد و توسعه پیدا کرد. این مخترع اروپایی با اختراع اولین موتور احتراق داخلی که از یک پیستون برای تبدیل انرژی حاصل از سوختن سوخت به حرکت مکانیکی استفاده می‌کرد، شناخته می‌شود.

در قرن نوزدهم، توسعه خودرو منجر به پیشرفت‌های چشمگیری در فناوری پیستون خودرو شد. اولین موتور احتراق داخلی با سوخت بنزینی توسط مهندس آلمانی نیکولاس اتو در اواسط قرن ۱۸ ساخته شد که از یک پیستون برای تبدیل انرژی حاصل از سوختن بنزین به حرکت مکانیکی استفاده می‌کرد. این اختراع را می‌توان پایه و اساس پیستون‌های امروزی به شمار آورد.

در طول قرن بیستم، پیشرفت در مواد و فرآیندهای ساخت منجر به توسعه پیستون‌های ماشین کارآمدتر و بادوام‌تر شد. آلومینیوم و سایر آلیاژهای سبک وزن جایگزین چدن به عنوان ماده ترجیحی برای پیستون ها شدند که امکان عملکرد و راندمان سوخت بالاتر را فراهم کرد.

امروزه پیستون‌های خودرو، اجزایی با مهندسی دقیق هستند که نقش مهمی در عملکرد موتورهای احتراق داخلی دارند. این پیستون‌ها به گونه‌ای طراحی شده‌اند که در برابر دما و فشار بالا مقاومت کنند و بخش مهمی از فرآیند احتراق موتور هستند.

مواد سازنده پیستون

برای افزایش کارایی و طول عمر، وزن متریال مورد استفاده در پیستون‌ها باید سبک و در عین حال مقاوم باشند. در نتیجه، پیستون‌ها معمولا از آلیاژ آلومینیوم ساخته می‌شوند که بهترین ماده برای استفاده در موتورهای خودرو و موتور سیکلت است. با این حال، رینگ‌های پیستون از چدن، فولاد یا سرامیک نیز ساخته می‌شوند.

• متریال سنتی (چدن، آلومینیوم و فولاد)

متریال‌های سنتی‌ای که در ساخت پیستون استفاده می‌شوند عبارتند از چدن، آلومینیوم و فولاد. چدن به دلیل استحکام و مقاومت بالا در برابر سایش شناخته می‌شود که آن را به یک انتخاب محبوب برای ساخت وسایلی که کاربرهای سنگین دارند، تبدیل می‌کند. آلومینیوم سبک وزن است و رسانایی حرارتی بالایی دارد که آن را برای موتورهایی با کارایی بالا مناسب می‌کند. همچنین از پیستون‌های فولادی به دلیل استحکام و دوام بالا استفاده می‌شود.

• متریال‌های نوظهور (سرامیک، کامپوزیت)

از جمله متریال‌های نوظهور و جدید می‌توان به سرامیک اشاره کرد. از سرامیک در پوششِ روکش تاج پیستون استفاده می‌شود‌. این پیستون‌ها می‌توانند تا دمای ۱۳۰۰ درجه سانتی‌گراد و فشار ۶۹ هزار کیلو پاسکال را تحمل کنند. این نوع متریال به خنک‌تر ماندن پیستون کمک می‌کنند و اصطکاک را کاهش می‌دهد. این موضوع به نرم شدن و از کار افتادن پیش از موعد آن در دمای بالای محفظه احتراق کمک می‌کند.

انواع پیستون‌های خودرو

انواع مختلفی از پیستون‌های استاندارد، پر قدرت و سبک وزن وجود دارد که هر کدام برای برآورده کردن الزامات و عملکردهای خاصی در ماشین‌آلات گوناگون استفاده می‌شوند.

• با توجه به طراحی سر پیستون یا تاج: تخت، نوع گنبدی، نوع مقعر و سر نامنظم پیستونی.
• با توجه به طراحی دامن: دامن جامد، دامن دوشاخه، پیستون شکاف دار یا با فاصله ثابت.
• بر اساس شکل و کاربرد: نوع دمپایی، فولادی درج شده، تسمه فولادی، زمین بادامک، نوع آلفینز و پیستون نوع حرارتی.

دلایل خرابی پیستون چیست؟

پیستون‌ها اجزای حیاتی یک موتور هستند، اما ممکن است به دلیل گرم شدن بیش از حد، نگهداری نادرست یا لرزش از کار بیفتند و منجر به از کار افتادن موتور شوند.

۱- سن پیستون

پیستون‌های خودرو با بالا رفتن سن ماشین، همیشه در شرایط اولیه قرار ندارند. هر چه مدت طولانی تری استفاده شوند، افت کیفیت رد عملکردشان به وجود می آید. هنگامی که سن پیستون خودرو به ۵ سال برسد، پیستون در معرض آسیب قرار خواهد گرفت. راه حل این است که خودرو را به طور منظم سرویس کنید.

۲- استفاده از بنزین بی کیفیت

اکتان واحدی است که نشان دهنده مقدار فشار قبل از تمام شدن سوخت است. این واحد اغلب به عنوان RON نیز شناخته می شود. سوخت کم RON باعث آسیب پیستون می‌شود. در واقع، از نظر قیمت، سوخت با اکتان پایین ارزانتر خواهد بود. اما برای درمان پیستون خودرو از سوخت با اکتان بالا (بنزین سوپر) استفاده کنید. سوخت با کیفیت علاوه بر اینکه برای پیستون خوب است، برای سایر اجزای خودرو نیز مفید است.

۳- گرمای شدید

گرمای بیش از حد موتور باعث می‌شود که روغن‌کاریِ سطح کشویی سیلندر به طور کامل از بین برود. این موضوع باعث می‌شود دامنه‌ی پیستون به دلیل روان‌ نبودن شکسته شود و گیرپاژ رخ دهد. همچنین این آسیب صرفا در ناحیه دامنه‌ی پیستون متمرکز است و هیچ علامتی از شکستگی در اطراف سر پیستون وجود ندارد.

۴- از کارافتادگی رینگ پیستون

وقتی رینگ پیستون از کار می‌افتد و نمی‌تواند روغن‌گیری انجام ‌دهد، دود خروجی به رنگ خاکستری غلیظ، تیره یا آبی تبدیل می‌شود. در این هنگام راننده ممکن است بوی روغن سوخته حس کند. هنگامی که رینگ پیستون می‌سوزد، مهر و موم‌ها در اطراف پیستون که در آن احتراق اتفاق می‌افتد، ترک می‌خورد و مانع مخلوط شدن سوختِ هوا و روغن می‌شود.

۵- لرزش پیستون

لرزش پیستون زمانی اتفاق می‌افتد که پیستون در داخل سیلندر با صدا تکان می‌خورد یا جغجغه می‌کند. در این حالت پیستون به جای اینکه به آرامی بالا و پایین (متقابل) حرکت کند، شل می‌شود و شروع به ایجاد صداهای وحشتناک می‌کند.

لرزش پیستون نشانه این است که موتور شما در حال خراب شدن است. ممکن است موتور برای مدتی دوام بیاورد اما بهترین گزینه برای تعمیر آن، بازسازی موتور یا خرید موتور یا ماشین جدید است.

نشانه های خرابی پیستون

چندین علامت می تواند مشکلات احتمالی پیستون خودرو را نشان دهد. اگر هر یک از علائم زیر را مشاهده کردید، بهتر است خودروی خود را توسط یک مکانیک واجد شرایط بررسی کنید:

• صدای کوبیدن یا ضربه زدن: صدای کوبیدن یا ضربه غیرمعمول موتور وقتی سرد است، می تواند نشان دهنده سیلی پیستون باشد، جایی که پیستون بیش از حد در داخل سیلندر حرکت می کند. این ممکن است ناشی از سایش یا فاصله ناکافی باشد.
• دود بیش از حد از اگزوز: اگر افزایش قابل توجهی در دود به خصوص دود آبی یا خاکستری مشاهده کردید، می تواند نشان دهنده سوختن روغن باشد. آسیب رینگ های پیستون یا دیواره سیلندر ممکن است باعث ورود روغن به محفظه احتراق شود.
• از دست دادن قدرت یا شتاب ضعیف: پیستون آسیب دیده می تواند بر توانایی موتور در تولید نیرو تأثیر بگذارد و منجر به کاهش عملکرد و شتاب ضعیف شود.
• افزایش مصرف روغن: اگر ماشین شما بیش از حد معمول روغن مصرف می‌کند(با بررسی گیج روغن متوجه کم کردن روغن شدید)، ممکن است نشان دهنده مشکل در رینگ پیستون یا دیواره سیلندر باشد که باعث می‌شود روغن به داخل محفظه احتراق نشت کند.
• راندمان سوخت ضعیف: بازده موتور زمانی که پیستون‌ها به درستی کار نمی کنند به خطر می‌افتد. کاهش راندمان سوخت می‌تواند نشانه‌ای از مشکلات مربوط به پیستون باشد.
• لرزش در دور آرام: عملکرد نامنظم موتور، از جمله ارتعاشات یا دور آرام خشن، ممکن است به علت ناهماهنگی پیستون، عدم تعادل، یا آسیب باشد.
• گرمای بیش از حد موتور: گرمای بیش از حد می تواند ناشی از اتلاف حرارت ناکافی باشد و در صورت وجود مشکل در کانال های خنک کننده یا اصطکاک بیش از حد پیستون ها دمای موتور افزایش می یابد.
• آسیب قابل مشاهده از طریق بازرسی شمع: بازرسی شمع های موتور می تواند نشانه هایی از مشکلات مربوط به پیستون را نشان دهد. تجمع بیش از حد کربن، رسوبات روغن، یا الگوهای سایش غیرعادی شمع ها ممکن است نشان دهنده مشکلات و خرابی در پیستون باشد.
• از بین رفتن کمپرس سیلندر: آزمایش تراکم (کمپرس) می تواند مشکلات رینگ پیستون یا سوپاپ ها را نشان دهد.
• روشن شدن چراغ چک موتور: ای سی یو ممکن است ناهنجاری های مربوط به عملکرد پیستون را تشخیص دهد و چراغ چک موتور را روی داشبورد روشن کند.

مطالعه بیشتر: راهنمای سرسیلندر و واشر سرسیلندر، نحوه نگهداری و علایم واشر زدن

نکات مهم در نگهداری پیستون

برای جلوگیری از خرابی پیستون، مراقبت مناسب از موتور خودرو بسیار مهم است. در اینجا چند نکته ضروری وجود دارد:

• تعمیر و نگهداری منظم: مراقب زمان‌های بررسی و بازبینی تعمیر و نگهداری موتور باشید. اینگونه می‌توانید مطمئن شوید مشکلات جزئی موتور زودتر تشخیص داده می‌شوند و از بروز مشکلات بزرگ‌تر جلوگیری خواهد شد.
• استفاده از سوخت با کیفیت بالا: برای جلوگیری از انفجار و پیش اشتعال که می‌تواند باعث خرابی پیستون در خودروی شما شود، سوخت با کیفیت بالا را انتخاب کنید.
• تعویض منظم روغن و استفاه از روغن با کیفیت: روغن و فیلتر روغن را به طور منظم تعویض کنید تا از تجمع زباله‌ها و آلاینده‌هایی که می‌توانند رینگ‌های پیستون را مسدود کنند، جلوگیری کنید.
• سیستم خنک‌کننده را بررسی کنید: مطمئن شوید که سیستم خنک‌کننده به درستی کار می‌کند تا از گرم شدن بیش از حد موتور، یعنی یکی از دلایل رایج خرابی پیستون، جلوگیری شود.
• اجتناب از بار بیش از حد روی موتور: از بارگذاری بیش از حد موتور خودداری کنید، زیرا می‌تواند منجر به کرنش غیرضروری و در نهایت خرابی پیستون شود.

نتیجه‌ گیری

پیستون‌های خودرو با تبدیل انرژی حاصل از احتراق سوخت به نیروی مکانیکی نقش مهمی در عملکرد موتور دارند. طراحی و ساخت پیستون‌ها در طول سال‌های گذشته پیشرفت‌های قابل توجهی داشته است که نتیجه آن بهبود عملکرد آن‌ها، کاهش آلاینده‌های خروجی و افزایش راندمان سوخت خودرو بوده است.

با حرکت به سمت آینده و پیشرفت خودروهای الکتریکی و هیبریدی، اهمیت پیستون‌ها ممکن است کاهش پیدا کند اما همچنان نقشی حیاتی در موتورهای احتراق داخلی خواهند داشت. در آینده، می‌توان انتظار داشت که شاهد پیشرفت‌های بیشتری در فناوری پیستون باشیم مانند استفاده از مواد سبک وزن‌تر و پوشش‌های پیشرفته برای کاهش اصطکاک و بهبود دوام آن‌ها. به طور کلی، تکامل فناوری پیستون به پیشرفت مهندسی خودرو و کارایی و پایداری کلی حمل و نقل کمک خواهد کرد.

اگر خودروی چینی دارید، اعتماد یدک مجموعه کاملی از رینگ و پیستون خودروهای چینی را برای خرید شما، فراهم اورده است. کافیست یا ما تماس بگیرید.