Pistonpenbreuk

Pistonpenbreuk???

Pistonpennen worden gebruikt als bevestiging en draaipunt van de zuiger en de drijfstang. De (holle) pennen worden gemaakt van hoogwaardig staal met een hoge hardheid en goede loopeigenschappen. De pistonpen kan op drie manieren worden bevestigd aan de drijfstang en zuiger.
- Floating pin
- Semi-floating pin
- Pressed pin

Vier van de meest gebruikte pistonpen materialen staan hieronder.

52100 High carbon steel | Tensile strength: 325,000 | Yield strength: 295,000
300M - Aerospace steel | Tensile strength: 280,000 | Yield strength: 230,000
9310 Nickel carbon steel | Tensile strength: 187,000 | Yield strength: 162,000
5115 - Low carbon steel | Tensile strength: 107,000 | Yield strength: 71,000


De toepassingsgebieden van de verschillende materialen:
52 - High impact, Dragrace, Endurance
300M - High impact, Dragrace, Endurance
93 - Circle Track, Road Race, Endurance
5115 - High performance Street/Strip


Enige tijd geleden kwamen we de eerste gebroken pistonpen uit onze carrière tegen. Dat was een goede gelegenheid om er eens wat dieper in te duiken. Wanneer breekt zo'n pen nu eigenlijk?

Als we uit gaan van een boring van 82.00mm dan betekent dit dat er een kracht nodig is van 239,000N om de pen te breken (F > Fafschuif). De afschuifkracht is een functie van de treksterkte en ligt ergens rond de 60%. Als we deze kracht omzetten naar effectieve cilinderdruk komen we op 6,569.72 psi (= 446.92 bar).Om een realistische interpretatie van dit getal mogelijk te maken is eerst de drukval over P2/P3 berekend en vergeleken met het normale drukverloop bij een compressieverhouding van 8:1. Hierdoor kan er bepaald worden hoeveel druk er extra nodig is om de pistonpen tot aan het breekpunt (afschuifpunt) te brengen.

De extra druk vertalen we in dit geval naar boost.

De conclusie is dat een pistonpen van 52100 high carbon steel zal breken als, bij een compressieverhouding van 8:1, de boost groter is dan 3.86 bar. Aangezien het uitgesloten is dat dergelijke boost-niveau's bij straatauto's voorkomt moet de pistonpenbreuk een andere oorzaak hebben. Te denken valt daarbij aan:

- Fabricagefout
- Plotselinge drukverhoging in de cilinder (bv door het rijden door een kuil waardoor de krukas de verbranding (en expansie) kortstondig tegenwerkt.
- Mechanische defecten in de kleppentrein (gebroken klepveren eetc.)

Drukverlies in olieleidingen

Drukverlies in olieleidingen


We zien het regelmatig terugkomen: Stukgelopen motoren waarvan je in eerste instantie de oorzaak niet kan vinden. Als blijkt dat de schade typerend is voor een schade als gevolg van te weinig oliedruk en er geen aanleiding IN de motor is te vinden dan moet de oorzaak zich BUITEN de motor bevinden. Al gauw wordt er gekeken naar de externe oliekoeler, olieleidingen en eventuele bypass oliefilters. Vaak wordt dan snel duidelijk waar het probleem zit. In de aanleg en of uitvoering van het oliesysteem. Het zijn vaak dezelfde fouten die iedere keer weer terugkomen.


Er zijn een paar structurele fouten die vaak gemaakt worden:

- Gebruik van de verkeerde soort slang (bijvoorbeeld hydr. of koelwaterslangen als olieleiding)
- Gebruik van de verkeerde koppelingen (hydr. in plaats van de daarvoor bestemde koppelingen)
- Gebruik van een slang met een te kleine doorlaat
- Routen van de leiding met scherpe hoeken (<90deg)



Het hieronder getoonde voorbeeld heeft ze allemaal! U ziet een koelwaterslang met een (te kleine) doorlaat van 12mm aangesloten met hydrauliekkoppelingen en gerout onder een scherpe hoek waardoor de slang niet meer buigt maar knikt.





Het enige dat belangrijk is is voldoende oliedruk en voldoende olieflow. Dit kan maar op een manier bereikt worden:

- Rechte slangen (zo min mogelijk bochten)
- Grote doorlaat (ca16mm bij l<1.5m, >20mm bij l= 2-3m)
- Koppelingen met een grote doorlaat

De drukverliezen als gevolg van een verkeerde montage of verkeerd gebruik van materialen worden als volgt berekend. Laten we uitgaan van een slang met een binnendiamter van 12mm.
Op basis van het volumedebiet van de oliepomp (ca 20 gpm = 0.0011356 m3/s) wordt het drukverlies berekend over een rechte leiding zonder bochten met een interne radius van 6mm en een lengte van 1 meter.


Omdat het een in- en uitgaande leiding betreft wordt het drukverlies met twee (slangen) vermenigvuldigd. Het totale drukverlies in de twee slangen samen is 0.57 bar. Uit het volumedebiet van de oliepomp wordt de stroomsnelheid berekend.


De bocht van slang A (135deg) en de knik van slang B (135deg) worden afzonderlijk berekend.

Slang A
Volgens Hütte is de weerstandscoëfficiënt over de buigradius van 3D 0.125 + 0.085 = 0.21



Slang B
Volgens dezelfde bron is de weerstandscoëfficiënt over de knik van 135deg 1.197 + 0.278 = 1.475



Als we nu de gevonden waarden optellen komen tot het volgende overzicht:

Drukverlies agv de twee slangen: -------------------------------2 x 0.285 = 0.57 bar
Drukverlies agv de 135deg bocht van slang A: ------------1 x 0.126 = 0.126 bar
Drukverlies agv de 135deg knik van slang B: --------------1 x 0.885 = 0.885 bar
Totaal drukverlies: ----------------------------------------------------------------------1.581 bar (≈ 23.2 psi)


Als onbetwistbaar gegeven wordt een oliedruk van 10psi per 1,000rpm internationaal gehanteerd. Dit betekent dat een motor die tot 8,000rpm draait een oliedruk van 80psi nodig heeft (=5.44bar). Het berekende drukverlies is in percentage ten opzichte van de benodigde maximale druk 29%. Dit betekent concreet dat de motor in het lage toerengebied tot 2,500rpm hoegenaamd geen oliedruk heeft. Als de maximale druk wordt verminderd met de berekende verliezen dan blijft een druk over van maximaal 56.8psi. Volgens de regel hierboven betekent dit dat de motor op elk toerental boven de 5,680rpm onvoldoende smering zal krijgen.

Omdat een motor op het circuit bijna voortdurend boven dit toerental draait zal de verminderde smering al heel snel leiden tot een hogere wrijvingsbelasting en dientengevolge en temperatuurverhoging van de olie en de te smeren componenten zoals krukas- en drijfstanglagers. Het is te verwachten dat het drijfstanglager van de tap die het verst weg van de oliepomp zit als eerste (en vermoedelijk na een enkel rondje op het circuit) zal falen, mits dit al niet is gebeurd op de testbank......