UNIVERSITATEA “POLITEHNICA” TIMIŞOARA
PROIECT DE DIPLOMĂ
Coordonator
Conf. dr. ing. CIZMAS IOAN
STUDIU DE OPTIMIZARE A PISTONULUI
1
Student
TOMA CRISTIAN

Cuprins
 Cap. 1. Pistonul: rol, construcţie,
materiale, condiţii tehnice, calcul
 Cap. 2. Proiectarea clasică a pistonului
 Cap. 3. Studiu de optimizare a
pistonului
 Bibliografie
2

Pistonul
 (1) preia forţa de presiune a gazelor şi lucrul mecanic
prestat de acestea şi le transmite arborelui cotit
 (2) preia reacţiunile determinate de bielă şi le transmite
suprafeţei cilindrului;
 (3) asigură cu ajutorul segmenţilor etanşarea camerei de
ardere
 (4) serveşte ca mijloc de transmitere a căldurii la pereţii
cilindrului
 (5) împreună cu segmenţii asigură reglarea cantităţii de
ulei pe oglinda cilindrilor.
3

Construcţia pistonului
Cap
Regiune port
segment
Bosaj
Manta
4

Proiectarea pistonului
date iniţiale
 Piston cu capul plat, cu doi segmenţi de
compresie şi un segment de ungere
 Material: aliaj de aluminiu pe bază de
siliciu (ATC Si12CuMgNi)
 Diametrul alezajului cilindrului: D=80 mm
5

Dimensionarea pistonului
6
Dps
E A
B
A'
C
F
E
A'

Di=2Ri
h
L
L2
L1
H
d
e
d
u
fu
Dn
Dpi
D
h
c
a a
e1
h
c
x
Detaliul X
(2,5:1)
h

 Calculul capului pistonului
se calculează efortul (tensiunea) rezultant şi se compară cu tensiunea
admisibilă
 Secţiunea a RPS din dreptul segmentului de ungere
se verifică la compresiune
 Mantaua
se verifică la presiunea de contact
 Calculul diametrul pistonului la montaj şi jocul în
stare rece
 Calculul eforturilor mecanice
se compară cu tensiunea admisibilă
 Calculul eforturilor termice
se compară cu tensiunea admisibilă
Calcule de verificare a pistonului
7

Studiu de optimizare a
pistonului
 AIP 2021: Stress Analysis
 Realizarea modelului tridimensional
 Analiza preliminară cu element finit a
pistonului
 Optimizarea parametrică a
pistonului
 Optimizarea topologică a
pistonului
8
Single Point
Parametric Dimension
Shape Generator

Modelul tridimensional și
dimensiunile pistonului
9

Analiza preliminară cu element finit
a pistonului
10
 Am folosit: modulul Stress Analysis din AIP
 Se face în scopul determinării:
• tensiunilor normale, tangențiale, von Mises în piston;
• deformațiilor în piston;
• coeficientului de siguranță în piston.
 Am comparat rezultatele cu valorile calculate în capitolul 2

Analiza preliminară cu element finit
a pistonului
11
 Rezultate
Tensiuni normale dupa Y Tensiuni tangentiale XY Deformații totale

Studiu de optimizare a pistonului
12
Reducerea
masei
pistonului
Utilizarea
aliajelor
ușoare
Reducerea
înălțimii
pistonului
Evazarea și
degajarea
unor părți
care nu
transmit efort
Micșorarea
grosimii
pereților

Alegerea parametrilor / variabilelor de proiectare
Optimizarea parametrică a pistonului
13
Variabile de proiectare Notare parametru
Valoare configurație
de bază
Valori analizate
Nr. de valori
distincte
Diametrul interior al
pistonului
Diam_int 63 mm 63, 64, 65, 66 4
Raza de racordare a
capului pistonului
Raza_cap 2 mm 1, 2, 3, 4 4
Diametrul bosajului Diam_bosaj 28 mm 25, 26, 27, 28 4
Raza de racordare a
bosajului
Raza_bosaj 3 mm 3, 4, 5 3
Unghiul de înclinare a
suprafeței bosajului
Unghi_bosaj 80 50, 60, 70, 80 4

Stabilirea funcțiilor obiectiv
 Minimizarea masei pistonului;
 Valoarea maximă a tensiunii von Mises din piston să fie de
200 MPa;
 Minimizarea deformației rezultante maxime a pistonului.
14
Optimizarea parametrică a pistonului

Valorile optime ale variabilelor de proiectare
15
Optimizarea parametrică a pistonului
Variabile de proiectare Notare parametru Valoare optimă
Diametrul interior al pistonului Diam_int 66 mm
Raza de racordare a capului
pistonului
Raza_cap 3 mm
Diametrul bosajului Diam_bosaj 25 mm
Raza de racordare a bosajului Raza_bosaj 3 mm
Unghiul de înclinare a
suprafeței bosajului
Unghi_bosaj 50

Comparații
 Masa pistonului a scăzut semnificativ, cu circa 14,6% față de masa inițială.
 Activitatea de optimizare a pistonului și-a atins scopul, rezultând o scădere
semnificativă a masei acestuia, în condițiile în care tensiunile și
deformațiile au valori cuprinse în limitele admise.
 A rezultat un piston mai ușor care rezistă solicitărilor la care este supus,
prezintă siguranță în exploatare și durabilitate ridicată.
16
Funcția obiectiv
Varianta
Diferenţa
Preliminară Optimizată
Minimizarea masei
pistonului
0,457 kg 0,390 kg 0,067 kg
Valoarea maximă a tensiunii von
Mises din piston să fie de 200 MPa
151 MPa 194 MPa - 33 MPa
Minimizarea deformației rezultante
maxime a pistonului
0,087 mm 0,115 mm -0,028 mm
Optimizarea parametrică a pistonului

 Programul Autodesk Inventor pune la dispoziţie, în cadrul modulului
Stress Analysis, opțiunea Shape Generator cu ajutorul căreia se
poate realiza optimizare topologică.
 Rezultatul acestei analize este un contur care delimitează volume de
material din piesă care pot fi îndepărtate deoarece acestea nu
influențează rigiditatea piesei în condițiile sarcinilor date.
17
Optimizarea topologică a pistonului

 După realizarea decupajelor, care au forma și dimensiunile din figură,
am rulat analiza în aceleași condiții de încărcare și am obținut rezultate
aproape identice cu cele de dinainte de optimizarea topologică.
 Masa s-a mai redus cu circa 0,01 kg, astfel că în final, cumulat, masa
pistonului s-a redus cu circa 17%, în condițiile respectării restricțiilor
referitoare la tensiunea von Mises și deformația maximă.
18
Optimizarea topologică a pistonului

19

Vă mulţumesc
pentru atenţie!
20