Cálculo das propriedades físicas dos anéis envolvidas no processo de fabrico

Abstract

As propriedades dos anéis de pistão influenciam os parâmetros utilizados no estudo do comportamento em serviço e funcionamento no motor. Estas propriedades físicas dependem das características geométricas da secção transversal do anel bem como das propriedades mecânicas dos materiais utilizados no seu fabrico. Este trabalho tem como objectivo desenvolver e implementar uma metodologia de cálculo do momento de inércia e da linha neutra da secção transversal dos anéis de pistão, que facilite e melhore a precisão do processo de cálculo das suas propriedades. A metodologia desenvolvida baseia-se na discretização da geometria da secção transversal num conjunto de pontos, cujas coordenadas são calculadas com o auxílio de cotas definidas pelas normas internacionais de anéis de pistão. O programa desenvolvido no Microsoft Office Excel 2010 abrange todos os anéis de 1ª e 2ª ranhura e permite uma análise pormenorizada da secção, que garante valores de propriedades físicas e parâmetros de projecto dos anéis mais fiáveis. A metodologia proposta contempla a análise do impacto do revestimento no módulo de elasticidade equivalente do anel, em particular nas propriedades físicas dos anéis. De facto, apesar dos revestimentos apresentarem uma espessura reduzida, o módulo de elasticidade equivalente do anel revestido altera-se, em função da percentagem de área do revestimento em relação à área total da secção e do módulo de elasticidade do material de base e do revestimento. No entanto, a influência da variação do módulo de elasticidade do anel no valor do coeficiente de conformabilidade não é significativa, na maior parte dos casos reais. O trabalho realizado focou-se nos anéis de pistão de compressão e foi realizado nas instalações da MAHLE Componentes de Motores S.A., em Portugal.

The properties of piston rings influence the parameters used in the study of the in service behaviour and operating conditions of the engine. These physical properties depend on the geometric characteristics of the ring cross section as well as on the mechanical properties of the materials used in its manufacture. This work aims to develop and implement a methodology for calculating the moment of inertia and neutral line of the cross section of the piston rings, which facilitates and improves the accuracy of these properties calculation process. The methodology is based on the discretization of the geometry of the cross section using a set of points, whose coordinates are calculated with the aid of the dimensions defined by the international standards piston rings. The program developed in Microsoft Office Excel 2010 covers all the rings of 1st and 2nd groove and allows a detailed analysis of the section, which ensures more reliable values for the physical properties and project parameters. The proposed method includes the assessment of the impact of the coating on the ring’s equivalent elastic modulus, in particular on the physical properties of the rings. In fact, despite the reduced thickness of the coatings, the equivalent elastic modulus of the coated ring is altered, depending on the percentage ratio between the coating area and the total cross section area and the elastic modulus of the bulk material and the coating. However, the influence of variation of the ring’s elastic modulus in the value of the conformability coefficient is not significant, for most real cases. The work focused on the compression piston rings and was performed in MAHLE Componentes de Motores SA plant, in Portugal.