Pístní čep: silné spojení mezi pístem a ojnicí

V každém pístovém spalovacím motoru je část, která spojuje píst s horní hlavou ojnice – pístní čep. Vše o pístních čepech, jejich konstrukčních vlastnostech a způsobech instalace, stejně jako správný výběr a výměna čepů různých typů je podrobně popsáno v článku.

Co je pístní čep

Pístní čep (PP) je součástí pístní skupiny spalovacího motoru; dutý ocelový válec, pomocí kterého se provádí kloubové spojení pístu a ojnice.

U pístových spalovacích motorů je přenos a transformace sil vznikajících spalováním směsi paliva a vzduchu ve válci zajištěna pístní skupinou a klikovým mechanismem. Mezi hlavní části těchto systémů patří píst a ojnice, které mají kloubové spojení, díky čemuž je možné vychýlit osu ojnice od osy pístu, když se nachází mezi horní a dolní úvratí (HÚ a BÚ). Kloubové spojení pístu a ojnice je realizováno pomocí jednoduché součásti – pístního čepu.

Pístní čep řeší dva klíčové úkoly:

• Působí jako kloub mezi pístem a ojnicí;
• Zajišťuje přenos sil a momentů z ojnice na píst při nastartování motoru a z pístu na ojnici při běžícím motoru.

To znamená, že PP nejen spojuje píst a ojnici do jednoho systému (který zahrnuje i klikový hřídel), ale také obecně zajišťuje koordinovaný provoz pístní skupiny a klikového mechanismu motoru. Proto jakékoli poruchy nebo opotřebení čepu negativně ovlivňují provoz celé pohonné jednotky a vyžadují okamžitou opravu. Před nákupem nových pístních čepů byste však měli porozumět jejich konstrukci a některým vlastnostem.

Typy, konstrukce a vlastnosti pístních čepů

Všechny pístní čepy, které se v současnosti používají, mají v podstatě stejnou konstrukci: obecně se jedná o dutou ocelovou tyč s relativně tenkými stěnami, instalovanou v pístních výstupcích a horní hlavě ojnice. Konce čepu jsou zkosené (vnější i vnitřní), což zajišťuje snadnou instalaci součásti do pístu nebo ojnice a také zabraňuje poškození jiných součástí v případě náhodného kontaktu s nimi.

V tomto případě lze v prstech provádět různé pomocné prvky:

• Zúžení vnitřních stěn od středu ven za účelem odlehčení prstu při zachování jeho pevnosti;
• Vnitřní kroužkové pásy ve střední části prstu pro jeho zpevnění;
• Boční příčné otvory pro pevné upevnění čepu v pístním náboji.

Pístní čepy se vyrábějí z měkkých konstrukčních uhlíkových (15, 20, 45 a dalších) a některých legovaných (obvykle chromových 20X, 40X, 45X, 20KHNZA a dalších) ocelí. Vnější povrch a malý pás na čelní ploše dílů vyrobených z nízkouhlíkových ocelí se cementují a kalí do hloubky 1,5 mm, dokud se nedosáhne tvrdosti 55-62 HRC (přičemž vnitřní vrstva má tvrdost 22-30 HRC). Díly vyrobené ze středně uhlíkových ocelí se obvykle kalí vysokofrekvenčními proudy. Po tepelném zpracování se vnější povrch PP brousí. Kalení dílu zajišťuje vysokou odolnost jeho vnějšího povrchu proti opotřebení, zatímco viskozita vnitřních vrstev stěny zachovává schopnost čepu odolávat rázovému zatížení a vibracím. Broušení povrchu eliminuje oblasti s nebezpečným namáháním, které může během provozu motoru vést k rýhování, zpevnění nebo dokonce ke zničení dílů.

Jak již bylo zmíněno, pístní čep je umístěn v pístu a horní hlavě ojnice a spojuje tyto části do jednoho systému. V pístu jsou pro tuto část vytvořeny dva nástavce s příčnými otvory – výstupky. Pro spojení mezi pístem a ojnicí existují dvě konstrukční možnosti:

• S „plovoucím“ prstem;
• S čepem zalisovaným do ojnice.

Druhé schéma je realizováno nejjednodušeji: v tomto případě je PP zatlačeno do horní (neoddělitelné) hlavy ojnice, což zabraňuje jeho axiálnímu posunutí, a v pístních výstupcích je umístěno s určitou vůlí, která umožňuje pístu otáčet se vzhledem k PP během provozu pohonné jednotky ve všech režimech. Vůle také zajišťuje mazání třecích částí (i když kvůli malé vůli čep a povrchy výstupků, které jsou s ním v kontaktu, vždy pracují v režimu nedostatečného mazání). Toto schéma bylo použito u domácích automobilů VAZ-2101, 2105, 2108, je také široce používáno u moderních modelů zahraniční výroby.

Konstrukce s „plovoucím“ čepem je složitější, protože má několik pomocných částí. V takové konstrukci je PP instalován s malou mezerou v obou částech – jak v pístních výstupcích, tak v horní hlavě ojnice, což zajišťuje jeho volné otáčení během provozu motoru. Aby se zabránilo axiálnímu posunutí čepu, používají se pružinové pojistné kroužky, umístěné napříč otvory v výstupcích – slouží jako dorazy pro PP a zabraňují jeho vypadnutí. Kroužky mohou být vyrobeny z pružinového drátu kulatého průřezu nebo raženy z plechu. V druhém případě mají díly obdélníkový průřez a na obou koncích jsou otvory pro nástroj pro snadnou montáž a demontáž kroužků.

V některých případech se používají zajišťovací houby nebo zátky, které jsou vyrobeny z měkkého kovu, díky čemuž nepoškozují zrcátko válce při kontaktu s ním. Zátky se používají u dvoutaktních motorů s určitým uspořádáním vstupních a výstupních otvorů, čímž se zabraňuje nežádoucímu proudění plynu mezi nimi. Někdy je součást upevněna šroubem zašroubovaným do spodní části náboje a do otvoru v koncové části PP.

Plynový válec (PP), bez ohledu na způsob jeho instalace, může mít vzhledem k ose pístu posunutí dosahující jednoho a půl milimetru nebo více. Takové posunutí má za cíl snížit dynamické zatížení, kterému jsou píst, PP a hlava ojnice vystaveny při průchodu horní a dolní úvratí (THC) a spodní úvratí (BDC). Píst je při svém pohybu k horní a dolní úvrati (HDC) přitlačen k jedné stěně válce, což také vede k přitlačení PP k jedné stěně otvorů uvnitř výstupků. V důsledku toho vznikají síly, které brání otáčení PP v dosedacích částech, a při průchodu horní a dolní úvratí může k otáčení dojít náhle – k tomu dochází s nárazem, který se projevuje charakteristickým klepáním. Tyto faktory se eliminují instalací PP do pístu s určitým posunutím osy.

Jak správně vybrat a vyměnit pístní čep

Během provozu motoru, zejména v proměnných režimech, jsou čepy vystaveny značnému zatížení, opotřebovávají se, mohou se deformovat a vyžadují výměnu. Potřeba výměny čepů je indikována zhoršením komprese a snížením dynamických vlastností motoru, což se navíc projevuje charakteristickým klepáním.

V tomto případě se oprava pohonné jednotky omezuje na výměnu čepů a někdy i spojovacího materiálu – pouzder hlav ojnic v systémech s „plovoucím“ PP, kroužků atd. Nové čepy a další díly se vybírají na základě opravných rozměrů. Například u většiny domácích motorů se nabízejí díly tří opravných rozměrů, které se liší o 0,004 mm (například motory VAZ často používají čepy o průměru 21,970-21,974 mm (kategorie 1), 21,974-21,978 mm (kategorie 2) a 21,978-21,982 mm (kategorie 3)). To umožňuje vybrat čepy různých průměrů s přihlédnutím ke zvětšení průměrů otvorů v spojovacím materiálu v důsledku opotřebení a následného vrtání. Vrtání se provádí vždy pro stejné opravné rozměry a pokud opotřebení dílů překročí stanovené rozsahy, musí být také vyměněny.

Kolíky se zpravidla prodávají v sadách (2, 4 nebo více kusů), někdy společně s pojistnými kroužky a dalšími díly.

Při opravě pístní skupiny s „plovoucími“ čepy není nutné používat speciální vybavení – instalace dílů do výstupků a hlavy ojnice se provádí ručně. Pokud se čep mění s fixací v ojnici, je nutné použít speciální zařízení pro vytlačování a zatlačování PP (v nejjednodušším případě se může jednat o pouzdra a tyče, ale profesionálové používají složitější mechanizovaná zařízení podobná svěráku).

V některých případech se instalace „plovoucího“ pístu (PP) do nábojů provádí také pod napětím, za tímto účelem se píst před instalací zahřeje ve vodě nebo jiné kapalině na 55–70 °C. Taková instalace zabraňuje klepání PP při startování a zahřívání motoru, ke kterému dochází v důsledku rozdílného koeficientu tepelné roztažnosti hliníkových slitin a oceli. Faktem je, že hliníkový píst se roztahuje rychleji než ocelový čep, proto se u nezahřátého motoru mezera mezi díly zvětšuje a objevuje se klepání. Při instalaci PP pod napětím se mezera objeví pouze při zahřátí motoru, což zabraňuje nárazům dílů a tím i klepání.

Je třeba poznamenat, že práce na výměně pístních čepů vyžadují značnou demontáž motoru, proto je lepší je provádět s odpovídajícími zkušenostmi nebo důvěřovat odborníkům. Pouze se správným výběrem čepů a odbornou opravou bude pístní skupina fungovat spolehlivě a efektivně a zajistí vysoké výkonové vlastnosti pohonné jednotky.