Sistem de calcul i proiectare pentru un motor cu ardere intern

Absolvent Ionu Culcic

Conductor proiect Conf. Bogdan RADU

2011

1

1. 2.

Cuprins Introducere ......................................................................................................................... 4 Elemente teoretice utilizate n cadrul proiectului............................................................... 4 2.1. Determinarea diagramei indicate ............................................................................... 4 2.1.1. Parametri constructivi ........................................................................................ 5 2.1.2. Parametri functionali .......................................................................................... 5 2.1.3. Indici tehnico-economici.................................................................................... 6 2.1.4. Indici de perfeciune........................................................................................... 6 2.1.5. Alegerea parametrilor......................................................................................... 6 2.2. Caculul dinamic.......................................................................................................... 6 2.2.1. Alegerea parametrilor la calculul dinamic ......................................................... 8 2.3. Proiectarea bolului .................................................................................................... 8 2.3.1. Calculul bolului................................................................................................. 9 2.3.2. Presiunea de contact ......................................................................................... 10 2.3.3. Verificarea la ncovoiere .................................................................................. 10 2.3.4. Verificarea la forfecare..................................................................................... 10 2.3.5. Calculul de ovalizare........................................................................................ 10 2.3.6. Calculul jocului la montaj ................................................................................ 10 2.3.7. Alegerea parametrilor la bol............................................................................ 11 2.4. Proiectarea pistonului............................................................................................... 11 2.4.1. Funciunile pistonului....................................................................................... 11 2.4.2. Principii de baz ale proiectrii pistonului....................................................... 11 2.4.3. Calculul pistonului ........................................................................................... 16 2.4.3.1. Alegerea dimensiunilor i ipoteze de ncrcare................................................... 16 2.4.3.2. Calculul capului pistonului .................................................................................. 16 2.4.3.3. Calculul zonei port-segmeni ....................................................................... 16 2.4.3.4. Calculul mantalei pistonului ........................................................................ 17 2.4.3.5. Calculul umerilor pistonului ........................................................................ 17 2.5. Proiectarea segmenilor ............................................................................................ 17 2.5.1. Principii de proiectare ...................................................................................... 17 2.5.2. Calculul segmenilor ........................................................................................ 19 2.6. Proiectarea bielei ...................................................................................................... 19 2.6.1. Piciorul bielei ................................................................................................... 19 2.6.2. Corpul bielei..................................................................................................... 20 2.6.3. Capul bielei ...................................................................................................... 20 2.6.4. uruburile de biel ........................................................................................... 20 2.6.5. Calculul bielei .................................................................................................. 21 2.6.5.1. Calculul piciorului bielei ............................................................................. 21 2.6.6. Calculul corpului bielei .................................................................................... 22 2.6.7. Calculul capului bielei...................................................................................... 23 2.6.8. Calculul uruburilor de biel ............................................................................ 24 2.6.9. Alegerea dimensiunilor .................................................................................... 24 2.7. Proiectarea arborelui cotit ........................................................................................ 24 2.7.1. Verificarea fusurilor la presiune i la nclzire ................................................ 26 2.7.2. Verificarea la oboseal ..................................................................................... 26 2.7.2.1. Verificarea fusurilor paliere ........................................................................ 26 2.7.2.2. Verificarea fusurilor manetoane .................................................................. 27 2.7.2.3. Verificarea braelor...................................................................................... 27 2.7.3. Alegerea dimensiunilor .................................................................................... 27 3. Exemplu de calcul ............................................................................................................ 28

2

3.1. Tema de proiect........................................................................................................ 28 3.2. Calculul termic ......................................................................................................... 31 3.2.1. Datele de intrare ............................................................................................... 31 3.2.2. Rezultatele arderii ............................................................................................ 32 3.3. Calculul dinamic ...................................................................................................... 34 3.4. Proiectarea bolului .................................................................................................. 35 3.4.1. Date de intrare .................................................................................................. 35 3.4.2. Rezultate........................................................................................................... 37 3.5. Proiectarea pistonului............................................................................................... 37 3.5.1. Date de intrare .................................................................................................. 37 3.5.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 38 3.5.3. Vizualizarea formei brute a pistonului ............................................................. 39 3.6. Proiectarea segmenilor ............................................................................................ 41 3.6.1. Date de intrare .................................................................................................. 41 3.7. Proiectarea bielei ...................................................................................................... 43 3.7.1. Date de intrare .................................................................................................. 43 3.7.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 44 3.7.3. Vizualizarea formei brute a bielei .................................................................... 45 3.8. Proiectarea arborelui cotit ........................................................................................ 46 3.8.1. Date de intrare .................................................................................................. 46 3.8.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 49 3.8.3. Vizualizarea formei brute a arborelui cotit....................................................... 51

3

1.

IntroducereProiectarea motoarelor cu ardere intern se face n mai multe etape succesive: evaluarea dimensiunilor fundamentale ale motorului prin descrierea unei diagrame indicate cu ajutorul unor mrimi determinate statistic, urmate de stabilirea dimensiunilor pieselor echipajului mobil, tot cu elemente statistice. Cu ajutorul acestor elemente geometrice i cu propietile materialului ales pentru acesta se determin eforturile i deformaiile din piese. Prin modificarea materialului sau a dimensiunilor se urmrete ncadrarea eforturilor sau deformaiilor n limitele stabilite prin date statistce. Dup ncadrarea acestora se trece la proiectarea final a geometriei pieselor respective prin adugarea suplimentar de elemente geometrice, care nu iau parte la calculul de rezisten propriu-zis. Aceste etape se pot face iterativ, n mai multe etape succesive, pentru a obine o variant optim ntre forma geometric i calculele de rezisten. n prezenta lucrare se propune un sistem integrat de calcul i modelare a pieselor unui motor cu ardere intern, folosind principiile utilizate la proiectul de motoare. Ipotezele i datele de proiectare utilizate sunt cele predate la cursul de motoare i prezentate n bibliografie.

2.

Elemente teoretice utilizate n cadrul proiectului2.1. Determinarea diagramei indicateCalculul se face pentru un ciclu semireal, din care prin rotunjiri se obtine diagrama indicat real. Ipotezele de baz simplificatoare necesare pentru efectuarea calculului sunt: n cilindrul motorului evolueaz un amestec omogen de gaze perfecte; procesul de evacuare decurge la presiune constant; procesul de admisie decurge la presiune constant ; nceputul admisiei coincide cu nceputul cursei de admisie; perioada de suprapunere a deschiderii supapelor este nul; supapa de evacuare se deschide n PME, evacuarea liber fiind nlocuit de rcirea izocor; ncrctura proaspt se nclzeste n contact cu piesele mai calde ale motorului; la nceputul cursei de admisie n cilindrul motorului se afl gaze arse reziduale, iar la finele cursei de admisie n cilindru se gsete amestecul iniial; comprimarea i destinderea se consider evoluii politropice de exponenii mc i md; doza de combustibil pe ciclu se consider un kg. Diagrama indicat are drept scop definirea dimensiunilor fundamentale ale motorului i indiciilor de perfeciune ale motorului. Din punct de vedere al naturii lor se disting urmatoarele categorii de parametrii/indici: o parametri constructivi care caracterizeaz construcia motorului si care raman neschimbati pentru un motor dat; o parametri funcionali care precizeaz regimul de functionare al motorului si se modific odat cu acesta n timpul functionrii; o indici tehnico-economici care apreciaz calitatea procesului de transformare a cldurii n lucru mecanic utilizabil, economicitatea motorului;

4

o indici de perfeciune se precizeaz n funcie de mrimile efective i de unele caracteristici constructive ale motorului si permit compararea motoarelor din aceeai clas, dar diferite prin dimensiuni, numr de cilindrii .a. [ ]

2.1.1.

Parametri constructivi

Dimensiunile fundamentale ale unui motor sunt precizate de alezajul D, adic diametrul nominal al cilindrului i cursa pistonului S, ambele exprimate n milimetri. Cilindreea Vs este definit ca volumul descris de piston ntre cele dou poziii extreme ale deplasrii sale care poart denumirea de PMI (punct mort interior) i PME (punct mort exterior). [ ] Cilindreea total, Vt, a motorului va fi suma cilindreelor individuale ale i cilindrii. Volumul minim ocupat de gaze n cilindru poart denumirea de volumul camerei de ardere i este notat cu Vc. Raportul dintre volumul maxim Va (reprezint suma dintre cilindreea unitar si volumul camerei de ardere) i volumul minim Vc exprim raportul de comprimare a crui valoare influeneaz randamentul termic al motorului [ ]. La motoarele cu aprindere prin scnteie raportul de comprimare este strns legat de rezistena la detonaie a combustibilului. Pentru un combustibil dat, cresterea lui este posibil prin msuri menite s asigure o durat a arderii normale mai mic dect intrzierea la autoaprindere, prevenind detonaia. Asemenea msuri sunt: alegerea raional a camerei de ardere si a poziiei bujiei, reducerea diametrului cilindrului, antrennd scurtarea distanei de propagare a frontului de aprindere, creterea turaiei, ducnd la viteze de ardere mai mari, construirea pistonului i chiulasei din aliaje de aluminiu, care asigur un nivel de temperatur mai sczut dect fonta etc. La MAC, valoarea minim a raportului de comprimare trebuie s asigure condiiile de autoaprindere a combustibilului.[ 1]

2.1.2.

Parametri functionali

Precizarea regimului de funcionare al unui motor reclam indicarea simultan a doi parametri: turaia i sarcina. Prin turaia n, se nelege numrul de rotaii efectuat de arborele cotit al motorului n unitatea de timp. Sarcina reprezint un parametru care precizeaz gradul de ncrcare a motorului. Sarcina motorului poate fi apreciat pe baza lucrului mecanic produs pe un ciclu. Acest lucru mecanic poate fi evaluat pe diagrama de variaie a presiunii din cilindrul motorului, denumit diagram indicat. Toate mrimile determinate pe baza acestei diagrame se definesc ca atare drept mrimi indicate. Lucrul mecanic indicat Li, este precizat de bucla pozitiv a diagramei indicate, bucla negativ reprezentnd lucrul mecanic al schimbului de gaze care este inclus n randamentul mecanic . Acest lucru mecanic indicat depinde de cilindree i nu poate servi drept criteriu de comparare din punct de vedere al perfeciunii desfurrii ciclului motor. Astfel, prin raportarea acestuia la cilindree se obine o mrime care poart denumirea de presiune medie indicat, notat cu pi i care permite aprecierea perfeciunii ciclului i pe baza sa pot fi comparate motoarele ntre ele. Pe baza acestui parametru se poate determina puterea indicat a motorului, Pi ce reprezint puterea produs la nivelul cilindrilor motorului Puterea efectiv Pe, adic cea disponibil la flana arborelui cotit este mai mic datorit consumurilor interne ale motorului (putere consumat prin frecri i de antrenarea mecanismelor auxiliare necesare funcionrii motorului, pentru efectuarea schimbrii gazelor etc.).[1 ] Raportul dintre puterea efectiv i puterea indicat definete randamentul mecanic m. De asemenea n funcie de puterea efectiv se poate defini un alt parametru si anume presiunea medie efectiv pe.

5

2.1.3.

Indici tehnico-economici

Pe baza acestor indici este apreciat economicitatea motorului. Calitatea procesului de transformare a cldurii n lucru mecanic utilizabil este apreciat de valoarea randamentului efectiv al motorului e. Acesta este definit ca fiind raportul dintre lucrul mecanic utilizabil i energia cheltuit pentru acest scop. Analog se poate defini randamentul indicat i ca fiind raportul dintre lucrul mecanic produs si energia consumat n acest scop. Alti indici care definesc economicitatea motorul sunt consumul orar de combustibil, consumul indicat si consumul efectiv de combustibil.

2.1.4.

Indici de perfeciune

Indicii de pereciune apreciaz gradul de forare a motorului, sau de compactitate a constructiei acestuia. [ 1] La proiectarea unui motor nou se stabilesc performanele ce trebuie realizate, n funcie de destinaia motorului i nivelul de dezvoltare atins pe plan mondial. Astfel, apare ca raional s se determine calculul termic pornind de la puterea litric, Pl, pe care va trebui s o realizeze noul motor. Aceasta reprezint raportul dintre puterea efectiv maxim i cilindreea total a motorului. Viteza medie a pistonului wpm este acel parametru care apreciaz rapiditatea motoarelor i constituie un criteriu de apreciere a uzurii acestora (cu ct viteza medie a pistonului este mai mare cu att durabilitatea motorului este mai mic).

2.1.5.

Alegerea parametrilor

Pornind de la datele iniiale (putere nominal, turaie, numr de cilindri, tip de motor) se alege din motoarele care se produc n lume un model care s aib o turaie apropiat de motorul dat i o putere pe cilindru relativ egal ( s se ncadreze n un intreval +-10%. ). Se va realiza un tabel cu aceste motoare i se va determina puterea litric medie. Cu o valoare apropiat de aceasta se va porni calculul termic i cu datele statistice din [ 1], cu metodologia prezentat n 3.2.1

2.2.

Caculul dinamic

Prin calculul dinamic al mecanismului biel-manivel se urmrete determinarea mrimii i caracterului variaiei sarcinilor care acioneaz asupra pieselor motorului. Cercetrile n detaliu sunt foarte complexe din cauza regimului variabil de funcionare. De aceea se folosesc relaii simplificate, obinute n ipoteza unei viteze unghiulare constante a arborelui cotit i la regim stabilizat.[4 ] Asupra mecanismului biel-manivel, acioneaz forele date de presiunea gazelor din cilindru i forele de inerie ale maselor mecanismului aflate n micare. Forele de frecare vor fi considerate neglijabile. Forele de inerie sunt constituite din forele de inerie ale maselor aflate n micare alternativ de translaie i fore de inerie ale maselor aflate n micare de rotaie . Pentru calculul organelor mecanismului biel-manivel, al sarcinilor n lagre, pentru cercetarea oscilaiilor de torsiune, etc., trebuie determinate valorile maxime, minime i medii ale acestor fore. De aceea mrimile forelor se vor determina pentru o serie de poziii succesive ale mecanismului, funcie de unghiul de rotaie al arborelui cotit. Pentru determinarea forelor din elementele mecanismului biel-manivel este recomandabil s se nceap cu determinarea forelor care acioneaz dup axa cilindrului , cercetnd separat forele de presiune a gazelor i forele de inerie.[4 ] a) Fora de presiune a gazelor

6

Presiunile gazelor din cilindru genereaz fora Fp aplicat pistonului dup axa cilindrului. Variaia presiunii indicate a gazelor din cilindru n funcie de unghiul de rotaie a arborelui cotit s-a determinat la calculul termic, prin trasarea diagramei indicate desfurate. b) Forele de inerie Forele de inerie sunt produse de masele aflate n micare accelerat i anume: piston asamblat (piston, bol, segmeni, siguranele bolului), biel i arbore cotit. n funcie de felul micrii elementelor mecanismului motor distingem urmtoarele tipuri de fore de inerie: -forele de inerie produse de masele elementelor aflate n micare de translaie (Fitr) aceste fore sunt produse de masele pistonului asamblat (piston, segmeni, bol de biel i siguranele acestuia) i o parte din masa bielei i sunt considerate concentrate n axa bolului. -forele de inerie produse de masele neechilibrate ale elementelor aflate n micare de rotaie (Fir) aceste fore sunt produse de o parte din masa bilei i masa neechilibrat a unui cot al arborelui cotit (masa manetonului i masele reduse ale celor dou brae).[ ] c) Forele rezultante din mecanismul biel manivel Prin nsumarea algebric a forelor de presiune a gazelor Fg i forelor de inerie Fitr, determinate pentru diferite poziii ale manivelei, se obin valorile forei sumare care acioneaz n lungul axei cilindrului. La motoarele n linie, cu mecanisme motoare normale axate rezultanta F admite componenta normal la axa cilindrului N i componenta K ce acioneaz dupa axa bielei. Translatnd fora K in lungul bielei pn n articulaia cu manivela se precizeaz componentele acestei fore aplicate arborelui cotit, adica o component radial Z dirijat dup axa manivelei i o component tangenial T perpendicular pe axa manivelei. Depinznd direct de F, forele N, K, Z i T sunt periodic variabile. Fora N pozitiv dezvolt un moment ce tinde s roteasc motorul n sens opus sensului de rotaie al arborelui cotit, fora K pozitiv solicit biela la compresiune, fora Z pozitiv este dirijat ctre axa de rotaie a arborelui cotit, iar fora T pozitiv produce un moment ce acioneaz n sensul de rotaie al manivelei.[4] d) Momentul motor Momentul motor total se obine prin nsumarea momentelor obinute pentru fiecare cilindru al motorului innd cont de ordinea de funcionare a acestora i de configuraia arborelui cotit. De asemenea, se poate obine suma momentelor ce acioneaz asupra fiecrui fus palier al arborelui cotit. Se stabilete variaia momentului motor total funcie de unghiul de rotaie a arborelui cotit, precum i valoarea momentului mediu. Cu valoarea momentului mediu se calculeaz puterea dezvoltat de motor care se compar cu puterea obinut la calculul termic. Ca poziie de pornire (=0) se consider poziia corespunztoare p.m.s. a primului cilindru, aflat la admisie. e) Forele care acioneaz asupra fusului arborelui cotit Determinarea forelor care acioneaz asupra fusurilor arborelui cotit este necesar pentru dimensionarea corect a fusurilor i lagrelor, n scopul de a evita nclzirea lagrelor i a se asigura pelicula de ulei necesar ungerii acestora. Se determin sarcina total care acioneaz asupra fusurilor i lagrelor arborelui cotit, lundu-se n considerare toate forele care le solicit, respectiv fora de presiune a gazelor i forele de inerie. Fora rezultant ce acioneaz asupra fusului, respectiv lagrului arborelui cotit se determin prin metoda diagramei polare.[4 ]

7

Pe baza diagramei polare se construiete diagrama de uzur. La baza construciei acestei diagrame stau urmtoarele ipoteze: - uzura este proporional cu rezultanta care acioneaz asupra fusului maneton; - forele care solicit la un moment dat fusul se distribuie pe suprafaa lui la 60o, de ambele pri ale punctului de aplicaie. Diagrama de uzur indic zona presiunilor cele mai reduse de pe fus i, deci locul unde trebuie prevzut gaura de ungere.

2.2.1.

Alegerea parametrilor la calculul dinamic

n determinarea forelor i momentelor din mecanismul mobil este necesar o evaluare iniial a maselor aflate n micare. Acestea sunt pistonul cu bolul i segmenii, care execut o micare de translaie i biela care execut o micare de translaie (pentru circa 0,275 din masa sa i o micare de rotaie pentru restul). O evaluare a maselor se poate face cu tabelul [4 ]: Tip motor Piston(Densitate aparent) Biela (masa sup. Piston) MAS 0,5...1 0,09....0,2 MAC 0,9...1,4 0,09...0,9 Densitatea aparent este raportul dintre masa pistonului i cubul alezajului (mp/D3). Astfel pentru un motor cu alezajul de 70 mm (0.7 dm) i o densitate aparent de 0.7 ar rezulta o mas de 0.24 kg. La biela se face raportul cu suprafaa pistonului (g/mm2). Pentru acelai motor cu un raport de 0,15 masa ar fi 577g, respectiv 0.577kg. Cu acest tip de evaluri se pornete calculul, dup care se va face o recalculare dup ce se determin masele exacte.

2.3.

Proiectarea bolului

Proiectarea bolului trebuie s satisfac cerinele privind obinerea unei mase ct mai reduse i o rigiditate suficient pentru funcionarea mecanismului motor. Se adopt forma tubular n diferite variante funcie de tipul motorului i felul mbinrii cu biela i pistonul. La motoarele de turaie ridicat pentru a se reduce valorile forei de inerie se adopt o grosime minim a pereilor (25 mm). La MAC datorit turaiilor mai sczute i presiunii din cilindri mai ridicat se adopt o grosime mai mare a peretelului bolului (813 mm). Bolul cu seciune constant este soluia tehnologic simpl i aplicabilitatea cea mai larg. Pentru a se mri rigiditatea bolului acesta se confecioneaz sub forma unui solid de egal rezisten sau cu seciunea n trepte . mbinarea bolului cu piciorul bielei i pistonul se poare realiza dup una din soluiile: - bol fix n piston i liber n piciorul bielei; - bol fix n piciorul bielei i liber n piston; - bol flotant . Utilizarea primei soluii de montaj necesit asigurarea printr-un urub care strpunge pereii locaului din piston precum i pe cei ai bolului sau presarea bolului n pistonul nclzit la 423 - 473 K. Soluia este punin utilizat datorit dezavantajelor pe care le prezint: concentrare de tensiuni la marginile gurii; mrete lungimea piciorului bielei; reduce rigiditatea bolului i mrete masa mbinrii. Soluia a doua de mbinare se realizeaz prin construcia bielei cu picior elastic sau printr-un montaj cu strngerea piciorului bielei . Se nclzete la 510 ... 550 K. Montajul cu bol fix n piciorul bielei permite reducerea lungimii piciorului bielei i a bolului. De asemenea dezaxarea bielei se reduce la jumtate fa de montajul bolului flotant, ceea ce determin reducerea uzurii i a nivelului de zgomot. Asamblarea cu bol flotant prezint avantajul asigurrii unor uzuri minime i uniforme att pe lungime ct i pe circumferin deoarece se micoreaz vitezele relative dintre 8

suprafee i permite realizarea unei rotaii complete a bolului dup un numr de cicluri. Deplasarea axial a bolului este nmpiedicat prin montarea a dou inele de sigura n locauri speciale practicate n piston, ntruct inelele elastice ngreuneaz trecerea uleiului spre zonele de ungere de pe suprafaa bolului n capetele lui. Se preseaz dopuri din materiale moi care nu produc uzuri cmii cilindrului. Bolul trebuie s aib un miez tenace pentru a rezista la solicitri cu oc i o duritate mare a suprafeei exterioare pentru a rezista la uzur. Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiii sunt oelurile carbon de calitate i oeluri aliate de cementare (Cr, Ni, Mo, V). Suprafaa bolului se cementeaz pe ntreaga lungime i pe adncime de 0,51,5 mm (Stratul superficial are o duritate de 5565 HRC iar miezul 3545 HRC). Tratamentul de cementare este o operaie scump i se nlocuiete cu clirea superficial prin CIF, pe o adncime de 1,01,5 mm. Pentru a se asigura jocurile de montaj se impun condiii stricte privind precizia dimensional i de form ale bolului. Bolul se execut n cmpul de toleran corespunztor clasei 1 de precizie. Abaterea de la forma cilindric se limiteaz la 2,53,0 mm iar a suprafeei interioare 3,26,3 mm.

2.3.1.

Calculul bolului

Dimensiunile bolului se adopt se baza datelor statistice i se efectueaz calculele de verificare a rezistenei la uzur, a solicitrilor mecanice i a deformaiilor precum i precizarea prin calcul a jocurilor de montaj. Schema de calcul este prezentat n Figur 1

Figur 1 Schema de calcul a bolului

ncrcrile sunt prezentate n Figur 2.

Figur 2 Schema de ncrcare a bolului

9

2.3.2.

Presiunea de contact

Rezistena la uzur poate fi apreciat dup mrimea valorilor presiunilor specifice n piciorul bielei (pb) i n umerii pistonului (pa). 1Valorile calculate pentru presiunile specifice nu trebuie s depeasc 2050 Mpa pentru piciorul bielei i 1535 MPa pentru locaurile din piston. Materialul bucei are o rezisten la uzur superioar materialului pistonului, de asemenea ungerea bucei se realizeaz mai uor dect ungerea locaurilor din piston, de aceea lungimea bucei este mai mic dect lungimea bozajelor

2.3.3.

Verificarea la ncovoiere

Se determin tensiunea maxim determinat de momentul ncovoietor la mijlocul bolului i a crei 2valoarea admisibil este de 250500 N/mm2 pentru oel aliat i de 120150 N/mm2 pentru oel carbon. De asemenea n cazul bolului flotant solicitarea variaz dup ciclu simetric, valoarea minim a acestuia trebuie s fie cuprins ntre 1,02,2. Pentru bolul fix n biel, ciclul este asimetric, iar coeficientul de siguran trebuie s aib valoarea admisibil cuprins ntre 24. Se mai determin efortul unitar mediu (m) i amplitudinea eforturilor unitare (v ) necesare pentru calculul coeficientului de siguran.

2.3.4.

Verificarea la forfecare

Verificarea la forfecare se realizeaz n seciunile dintre prile frontale ale bosajelor i piciorul bielei. Se calculeaz tensiunea unitar la forfecare pentru care valoarea admisibil este de (150220)N/mm2 pentru oel aliat i (80120) N/mm2 pentru oel carbon.

2.3.5.

Calculul de ovalizare

Pentru a se studia ovalizarea se consider bolul ca o grind curb n seciune transversal ncrcat cu o sarcin distribuit sinusoidal (p = p0sin). Deoarece ipoteza nu este riguros exact, rezultatele se corecteaz prin majorarea forei F cu un coeficient stabilit experimental, k. Pentru calculul solicitrilor trebuie determinate ncrcrile dintr-o seciune longitudinal oarecare. Se separ partea din fibra medie a grinzii de raza rm care preia sarcina sinusoidal [ v. p 312]; reaciunile din planul de separare sunt momentul ncovoietor M0 i fora normal Fk/2. Eforturile unitare de ncovoiere ntr-o seciune oarecare se calculeaz n fibra interioar (i)_ i n fibra exterioar (e). 3 Valorile eforturilor unitare de ovalizare n seciunile caracteristice se obin din condiiile = 00 i = 900. Eforturile unitare iau valori extreme n seciunile longitudinale, paralele cu planul cilindrilor i normale pe planul cilindrilor. n seciunea =0, n fibra exterioar apar tensiuni unitare de ntindere iar n fibra interioar apar tensiuni unitare de compresiune. n seciunea =90 eforturile unitare n cele dou fibre schimb semnul. Valoarea admisibil pentru tensiunile unitare de ncovoiere este cuprins n intervalul 140300 N/mm2. Deformaia maxim de ovalizare se produce ntr-un plan normal pe axa cilindrului. Se recomand ca deformaia de ovalizare s fie mai mic dect jocul radial la cald f b 0.5' 4.[2 ] 5

2.3.6.

Calculul jocului la montaj

Pentru a menine jocul la cald n limitele recomandate pentru o bun funcionare este necesar s se calculeze jocul de montaj dintre bol i locaul su din piston:

10

Cnd bolul este flotant, la rece, ajustajul lui n locaurile din piston trebuie s fie cu strngere. De aceea pentru a face posibil funcionarea la pornire bolul se monteaz cu joc n piciorul bielei. n cazul n care bolul este fix n piciorul bielei funcionarea la pornire este posibil numai dac bolul se monteaz cu joc n locaurile din piston, joc care n timpul funcionrii se poate mri. Montajul dintre bol i piston cu ajutaj cu strngere se poate realiza prin nclzirea pistonului la 353393K. Jocul la cald n piciorul bielei nu difer practic de jocul de montaj deoarece temperatura piciorului bielei i temperatura bolului au valori apropiate i sunt confecionate din acelai material. [2 ]

2.3.7.

Alegerea parametrilor la bol

La bol se aleg datele constructive i materialul (tabelul 5.4 , pag. 308 , [2 ]). Datele raportate se introduc n program, vor fi transformate n dimensiuni i se vor calcula eforturile i deformaiile (cap 5, [2 ]). Dac apar coeficieni de siguran mai mici ca 1, se vor modifica datele sau materialul pne se obine valori supraunitare.

2.4.

Proiectarea pistonului2.4.1. Funciunile pistonului

o o o o o o o o o

Pistonul este reperul mecanismului motor, care ndeplinete urmtoarele funcii: transmite bielei,prin intermediul bolului, fora de presiune a gazelor; transmite cilindrului reaciunea normal, produs de biel; etaneaz, mpreun cu segmenii, camera de ardere; evacueaz o parte din cldura degajat n procesul de ardere; contribuie la dirijarea gazelor n cilindru; are rolul de a asigura distribuia amestecului gazos, n cazul motorului n doi timpi; n cazul motorului cu aprindere prin compresie, poate influena favorabil randamentul arderii prin participarea sa la procesul de formare a amestecului; conine, parial sau integral, camera de ardere; mpreun cu segmenii i peretele cilindrului controleaz grosimea filmului de ulei i deci consumul de ulei.

2.4.2.

Principii de baz ale proiectrii pistonului

a) Capul pistonului Partea pistonului, care vine n contact cu gazele fierbini sub presiune, n timpul funcionrii motorului, este capul acestuia. Profilul lui depinde de tipul motorului, de dispunerea supapelor i de arhitectura camerei de ardere. La motoarele cu aprindere prin scnteie se utilizeaz, n mod frecvent, pistonul cu capul plat, datorit simplitii constructive i suprafeei minime de schimb de cldur. Forma concav a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisfer. Pe de alt parte, forma bombat asigur o rezisten ridicat la solicitrile mecanice, dar determin o majorare a suprafeei de schimb de cldur. La motoarele convertibile m.a.s.- m.a.c., camera de ardere, poate fi realizat parial n capul pistonului . Pistoanele motoarelor cu aprindere prin compresie, cu injecie direct, au n cap o degajare al crui volum reprezint 20...30% din cel al camerei de ardere. La motoarele cu

11

injecie direct capul este prevzut cu o degajare, ce poate avea diferite forme n funcie de particularitile procedeului de formare a amestecului. La motoarele cu aprindere prin compresie, puternic solicitate termic, n capul pistonului se prevede o inserie de font cenuie sau austenitic cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului. Armarea marginii superioare a camerei de ardere nltur neajunsurile pentru o durat limitat de funcionare. Dup parcursulri de 300.000400.000 [km] se constat apariia de fisuri n inserie i desprinderea de buci din aceasta. Materialul austenitic are o dilatare mai redus ca a aliajului de aluminiu, dar se nclzete mult mai puternic. Datorit deformaiilor remanente, dup o funcionare ndelungat, apare un volum gol ntre inserie i fundul pistonului. Alte dezavantaje cauzate de folosirea inseriei sunt determinate de dificultatea amplasrii unui canal de rcire ntr-o poziie eficient, precum i de creterea costurilor de fabricaie i a greutii pistonului. [ 2] b) Zona port-segmenti Durabilitatea, sigurana n funcionare i economicitatea unui motor sunt influenate de performanele ansamblului piston-segmeni. Necesitatea de reducere a volumului constructiv al motorului i creterea puterii, prin majorarea turaiei, au impus pistoanele mai scurte i mai uoare. Aceestea sunt capabile s asigure: - jocuri mici ntre piston i cilindru; - diminuarea cantitii de gaze scpate n carter; - ungerea satisfctoare a suprafeelor n micare relativ i un consum redus de ulei; - rezistene ridicate la solicitrile mecanice i termice. La reducerea nlimii constructive a pistonului, trebuie avut n vedere faptul c temperatura n zona canalului segmentului nu poate depi 480 K, cnd se folosesc uleiuri normale, i 510 K cnd se utilizeaz uleiuri nalt aditivate. Lungimea zonei port-segmeni este determinat de numrul segmenilor necesari pentru a asigura o bun etanare a camerei de ardere i un consum redus de ulei. Pentru a mpiedica orientarea fluxului de cldur, de la capul pistonului ctre primul segment, canalul segmentului de foc se plaseaz sub nivelul fundului pistonului. n acelai scop, se racordeaz larg, la interior, regiunea port-segment cu fundul pistonului. Deoarece materialul din dreptul canalului primului segment i pierde mai uor duritatea i suport atacul agenilor corosivi, o soluie eficient de protejare a lui este cea a utilizrii unei inserii de font, de forma unui inel, sau a unui disc inelar din oel. Evaluarea temperaturii inseriei port-segment din font austenitic, i a regiunii imediat nvecinate din piston, arat c aceasta, n zona canalului segmentului, este cu aproxinmativ 10 K mai redus ca cea a materialului de baz. Suprafaa frontal a inelului port-segment este retras fa de cea a pistonului, pentru a evita contactul acestuia cu peretele cilindrului i din condiii tehnice de prelucrare. Pentru diminuarea scprii de gaze muchia inferioar a canalului trebuie executat. O alt soluie pentru reducerea gazelor scpate este aceea a micorrii jocului funcional n zona segmenilor. Astfel, prin diminuarea jocului de la 0,35 mm la 0,30 mm cantitatea de gaze scpate poate fi redus cu aproximativ 30%. [ 2] c) Capulpistonului Capul pistonului este solicitat mecanic i termic de gazele aflate sub presiune i la temperatur ridicat.

12

Pentru a controla temperatura n zona canalului primului segment de compresie pistoanele, supuse unei solicitri termice nalte, sunt concepute cu o cavitate de rcire, prin care circul ulei. Aceasta, n general, nu contribuie la diminuarea tensiunilor termice, deoarece n vecintatea ei se mrete gradientul de temperatur. De aceea, este necesar s se optimizeze forma i poziia sa. Evaluarea tensiunilor termice a artat c: - Odat cu creterea grosimii capului pistonului, tensiunile termice se majoreaz. De aceea, capul trebuie s se dimensioneze din condiia de a rezista forelor datorate presiunii gazelor. - n cavitatea de rcire pot apare eforturi nalte de margine, dac grosimea peretelui dintre aceasta i camera de ardere este prea mic. Valoarea de referin este, n acest caz, aproximativ 7% din diametrul pistonului. n cazul n care cavitatea camerei de ardere este foarte adnc, marginea superioar a acesteia poate fi supus la solicitri critice. Datorit scurgerii accelerate a gazului, transferul de cldur, n aceast zon, este mare, dar evacuarea sa este stnjenit, ndeosebi la unghiuri mici de deschidere a cavitii. Astfel se majoreaz temperatura muchiei superioare a camerei de ardere, fapt ce determin o solicitare supraelastic a acesteia. La rcire, prin modificarea sarcinii sau oprirea motorului, apar eforturi de ntindere. Dac acest proces se repet de multe ori, aa cum se ntmpl la motoarele de autovehicule, pot s apar fisuri termice de oboseal. Pentru a elimina dezavantajele menionate s-au aplicat, pe capul pistonului, cu ajutorul jetului de plasm, straturi metalice sau metaloceramice. n acest caz au aprut dou probleme: - depunerea stratului este dificil n zona muchiilor; - aderena este insuficient pentru anumite sorturi de materiale ceramice. [2 ] d) Umerii pistonului Datorit nlimii mici de compresie i cavitii camerei de ardere pistoanele motoarelor de autovehicule au spaiul interior redus. Astfel, distana dintre bol i capul pistonului, denumit i lungime de dilatare, este prea mic pentru a permite execuia unui bosaj elastic, care s se sprijine prin nervuri, deoarece razele de racordare devin prea mici, iar concentratorii de tensiuni mari. De aceea, pistoanele motoarelor pentru autovehicule se execut cu bosaje cu sprijin masiv. Sprijinul masiv asigur o rigiditate nalt i evit deformarea sub acionarea forelor de presiune a gazelor. Pentru diminuarea deformaiilor pistonului, se caut soluii care s permit realizarea unei distane ct mai mici ntre bosaje. La bol se poate obine o mbuntire prin mrirea diametrului su exterior. Majorarea diametrului bolului nu este ntotdeauna posibil. n acest caz, realizarea unei biele cu piciorul teit i a unor umeri trapezoidali, reprezit o soluie interesant i de efect. Prin aceast construcie se mresc suprafeele portante ale lagrelor i se reduce ncovoierea bolului. De asemenea, se obine o diminuare nsemnat a tensiunilor n toate punctele critice. [ 2] e) Mantaua pistonului Mantaua pistonului are rolul de a transmite eforturile rezultante din mecanismul bielmanivel, ctre punctele cilindrului. Calitatea de ghidare a pistonului, prin intermediul mantalei, este un element determinant pentru urmtorii factori: fiabilitate; consum de ulei; reducerea zgomotului. Ghidarea pistonului cu ajutorul mantalei, este funcie de: jocul dintre piston i cilindru i temperatura de funcionare; profilul fustei; materialul pistonului; poziia axelor; forma cilindrului.

13

Fora normal este transmis cilindrului numai de o parte a suprafeei mantalei pistonului. De aceea, pentru reducerea masei pistonului se degaj zona corespunztoare unghiului complementar dup direcia axei bolului. Lungimea mantalei trebuie s fie suficient pentru a asigura un bun ghidaj, presiuni laterale reduse (0,40,6 MPa) i a limita bascularea. Pe de alt parte, ea nu trebuie s fie exagerat de mare, pentru a nu mri, n mod inutil, nlimea motorului. Datorit dilatrii termice, a aciunii forelor de presiune a gazelor i normal pistonul se deformeaz eliptic n aciune transversal (axa mare dup direcia bolului). Pentru a compensa aceast deformare, pistonul se execut sub form eliptic, n aciune transversal, cu axa mare a elipsei normal pe cea a alezajului pentru bol. La pistoanele motoarelor cu aprindere prin scnteie, pentru a reduce fluxul de cldur ctre manta, cu scopul diminurii jocului dintre aceasta i cilindru, n ea se execut o decupare sub form de T sau P imediat dup canalul pentru segmentul de ungere. Dezavantajul acestei soluii const n aceea c regiunea port-segment are un nivel ridicat de temperatur, iar pistonul, n ansamblu, o rigiditate sczut. Ultimul dezavantaj se elimin prin conceperea unor nervuri, care leag mantaua de capul pistonului. Cerina de a realiza jocuri mici (0,080,10 mm), la montaj, ntre piston i cilindru poate fi satisfcut prin introducerea n regiunea bosajelor pistonului a unor plcue de invar (oel aliat cu mult nichel) sau oel de calitate. Inseria de invar sau oel i aliajul de aluminiu lucreaz ca o lam bimetalic, astfel nct, prin nclzire, sistemul se curbeaz foarte puin n sensul evazrii. Pistoanele astfel obinute se numesc autotermice. [2 ] f) Efectele termice asupra pistonului Obinerea unor performane ridicate la motoarele cu aprindere prin compresie este condiionat i de valoarea jocului, la rece, dintre mantaua pistonului i cmaa cilindrului. Pentru ca jocul la rece s fie ct mai mic, iar zgomotul n timpul funcionrii ct mai redus, trebuie ca mantaua s se dilate puin. Acest deziderat este realizabil dac se reduce fluxul termic de la capul pistonului ctre manta. Pe de alt parte, decisiv pentru funcionarea unui motor cu aprindre prin compresie este temperatura pistonului n zona canalului segmentului de foc. Aceasta nu trebuie s depeasc 450510 K, pentru a nu facilita cocsarea uleiului i griparea segmentului. La depirea unui maximum de temperatur pot apare fisuri termice, n capul pistonului, datorit suprapunerii tensiunilor termice peste cele dinamice datorate presiunii gazelor. De aceea, trebuie ca valorile locale ale temperaturii s nu depeasc 630 K. Dar, mrimea tempereturii locale a capului pistonului este influenat de forma camerei de ardere. De asemenea, temperatura capului pistonului este influenat i de tipul aspiraiei. Astfel, creterea presiuni medii efective, de la 0,84 [MPa] la 1,43 [MPa], prin supraalimentare fr rcire intermediar, atrage dup sine majorarea temperaturii muchiei camerei de ardere cu 80K i cu 45K n zona canalului primului segment de compresie. Dac aerul de supraalimentare este supus unei rciri intermediare, de la 475 K la 380 K, aceste creteri de temperatur pot fi reduse la 43K n zona muchiei i la 27 K n regiunea nvecinat cu segmentul de foc. Evacuarea cldurii din zona capului pistonului se poate realiza pe mai multe ci. Cea mai simpl este aceea care asigur rcirea forat a capului pistonului prin proiectarea unor jeturi de ulei n capul lui. Uleiul necesar rcirii poate fi dirijat printr-o duz montat n piciorul bielei sau printr-un pulverizator plasat n apropierea rampei centrale de ungere. Soluia este aplicabil la pistoanele motoarelor cu putere specific de 3040[kW/dm2]. Ea asigur reducerea temperaturii la marginea camerei de ardere cu 35K (fig.8.24), n zona atins de jetul de ulei cu 1014K, iar n partea opus jetului de ulei cu 37K.

14

Un grad mai nalt de rcire se realizeaz dac se practic n capul pistonului un canal de form circular (obinut cu ajutorul: miezurilor confecionate din amestecuri de sruri solubile n ap sau spum de grafit ce poate fi ars; locaului din tabl de oel, care se include n capul pistonului; prelucrrii prin strunjire i sudrii cu fascicul de electroni) prin care circul uleiul sub presiune. Poziia canalului de rcire influeneaz i ea temperatura capului pistonului. Astfel, prin plasarea, n raport cu poziia de referin, cu 12 mm mai sus a canalului de rcire, se pot obine temperaturi mai joase cu 1525 K, la marginea camerei de ardere, i cu 310 K n zona canalului segmentului de foc, n condiiile majorrii, cu 38 K, a temperaturii uleiului evacuat. Temperatura capului pistonului este influenat i de debitul uleiului circulat prin canalul de rcire Pe de alt parte, temperatura capului pistonului este determinat i de diametrul duzei pulverizatorului. [2 ] g) Profilul pistonului Soluiile constructive folosite la pistoanele motoarelor cu aprindere prin scnteie nu se utilizeaz la cele ale motoarelor cu aprindere prin compresie, deoarece conduc la obinerea unei rigiditi insuficiente i la o nclzire a regiunii port-segmeni. Pentru a se obine o rigiditate maxim a pistonului, alezajele pentru bol se plaseaz la o distan ct mai mic de capul su. Ca urmare a aciunii presiunii gazelor i a nclzirii pistonul se deformeaz. Datorit caracterului repartiiei fluxului termic, pistonul se va deforma neuniform. Pentru a realiza jocuri uniforme ntre piston i cilindru, la diferite orizonturi, profilul longitudinal al pistonului se poate realiza n diverse variante. h) Materiale pentru pistoane O alt soluie eficient pentru evacuarea cldurii din piston este cea a utilizrii unor materiale cu conductibilitate termic ridicat. Fa de condiiile de funcionare ale pistonului, aliajele de aluminiu sunt cele mai satisfctoare. Totui ele prezint dezavantajul, n comparaie cu fonta, c au rezistena mecanic mai mic, coeficientul de dilatare mai ridicat i costul mai mare. Aliajul de aluminiu pentru pistoane reprezint o combinare judicioas a elementelor de aliere principale (Si, Cu, Mg, Ni) cu elementele de aliere secundare (Fe, Ti, Mu, Zu), n vederea obinerii unui material care s satisfac condiiile impuse. Siliciul, cuprul i magneziul majoreaz rezistena la traciune a aliajului i reduc alungirea, iar nichelul mrete rezistena la temperatur. Fierul formeaz cu aluminiul cristale dure rezistente la uzur, iar titanul determin o cristalizare fin a aliajului. Manganul i zincul apar ca impuriti. Dup coninutul elementului de aliere de baz, aliajele de aluminiu pentru pistoane se mpart n dou grupe: aliaje pe baz de siliciu (Al-Si-Mg-Ni- silumin) i aliaje pe baz de cupru (Al-Cu-Ni-Mg- aliaje y). Dintre aliajele pe baz de siliciu, pentru pistoane se utilizeaz cele eutectice i hipereutectice. Principalele caracteristici ale aliajelor de aluminiu pentru pistoane sunt date n tabelul 8.4. Aliajele pe baz de siliciu posed coeficient de dilatare termic redus, care se micoreaz pe msura creterii coninutului de siliciu. Aliajele hipereutectice corespund cel mai bine cerinei de a avea un coeficient de dilatare ct mai apropiat de cel al cilindrului. Datorit acestui fapt jocurile la rece pot fi mai mici, din care cauz uzurile, ndeosebi ale segmenilor i ale canalelor, vor fi mai reduse. Majoritatea constructorilor utilizeaz aliaje eutectice datorit dilatrii reduse a acestora i calitilor bune n ceea ce privete frecarea. Totodat aliajele eutectice sunt mai puin sensibile la formarea fisurilor.

15

Aliajele pe baz de cupru au coeficientul de dilatare cel mai mare, din care cauz pistoanele se prevd cu jocuri mrite, ceea ce favorizeaz intensificarea uzurilor grupului piston-segmeni-cilindru. Datorit proprietilor mecanice ridicate, aliajele pe baz de cupru se utilizeaz pentru execuia pistoanelor pentru motoarele cu aprindre prin compresie. Pistoanele din font se ntlnesc mai rar n construcia motoarelor de automobile. Ele au perei mai subiri i masa apropiat de cea a pistoanelor din aliaje de aluminiu. Se fabric prin turnare n nisip. Cele din aliaje de aluminiu se obin prin turnare n cochile sau prin matriare. Constructorii de pistoane i-au intensificat cercetrile n direcia gsirii unor noi materiale pentru pistoane, cu caliti tehnico-economice superioare. Astfel, ei studiaz n prezent posibilitile de fabricare a pistoanelor din pulberi sinterizate. Pentru sporirea durabilitii pistoanelor, suprafaa exterioar se acoper cu straturi protectoare, care au calitatea de a mri aderena uleiului la metal i de a mbuntii calitile antifriciune. n acest sens pistonul se acoper cu un strat de 530 [mm] de staniu, plumb, grafit, sau oxizi de aluminiu .[ 2]

2.4.3.

Calculul pistonului

2.4.3.1. Alegerea dimensiunilor i ipoteze de ncrcare Dimensiunile pistonului vor fi alese din [ 2], capitolul 4.5.1 unde sunt prezentate raportat la alezaj. Determinarea eforturilor i deformaiilor se va face cu expresiile matematice prezentate n acelai capitol. 2.4.3.2. Calculul capului pistonului

Dup ce s-au adoptat principalele dimensiuni ale pistonului, capul i mantaua se supun unui calcul de verificare. Profilul longitudinal i radial se traseaz n raport cu dilatrile admise. Capul pistonului se verific n ipoteza c acesta este o plac circular ncastrat pe contur, de grosime constant, ncrcat cu o sarcin uniform distribuit, dat de presiunea maxim a gazelor din cilindru. Se calculeaz eforturile unitare i tangeniale la marginea plcii i n centru. Solicitrile termice pot fi calculate presupunnd c grosimea este mic fa de raza plcii Ri=Di/2, astfel nct s se neglijeze variaia axial a temperaturii; cmpul axial-simetric caracteristic pistonului se reduce la o variaie a temperaturii numai dup direcia radial, determinnd o stare de temperaturi plan. Pentru evaluare mai complet a solicitrilor termice se tine seama i de variaia axial a temperaturii. Dac se admite c temperatura scade liniar cu T, se determin valoarea absolut a eforturilor unitare dup orice direcie ntre fibrele superoar i inferioar ale plcii. 2.4.3.3. Calculul zonei port-segmeni Regiunea port-segmeni se verific la solicitarea de compresiune datorat presinii maxime a gazelor. Seciunea periculoas este cea slbit de deschiderile prin care se evacueaz uleiul colectat de segmentul de ungere. Se va determina efortul unitar inndu-se cont de aria seciunii periculoase. La motoarele rapide se verific i solicitarea de ntindere, ub aciunea forei maxime de inerie a masei din piston situat deasura seciunii periculoase.[ ]

16

2.4.3.4. Calculul mantalei pistonului La mantaua pistonului se verific dac presiunea maxima pmmax, cu care fora normal o aplic pe cilindru nu depete limita admisibil peste care se apreciaz c pelicula de ulei este periclitat. 2.4.3.5. Calculul umerilor pistonului Dac umerii pistonului nu sunt solidarizai prin nervuri cu suprafaa interioar a pistonului, n zona de racordare cu aceast suprafat se verific solicitarea de forfecare.

2.5.

Proiectarea segmenilor2.5.1. Principii de proiectare

Segmenii au rolul de a realiza etanarea camerei de ardere, de a uniformiza pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului i de a transmite cilindrului o parte din cldura preluat de piston de la gazele fierbini. Segmenii care mpiedic scparea gazelor din cilindru n carterul motorului se numesc segmeni de compresie iar segmenii care distribuie uniform i elimin excesul de ulei de pe suprafaa cilindrului se numesc segmeni de ungere. Soluiile care se adopt la proiectarea segmentului trebuie s in seama de cerinele impuse de sigurana n funcionare, durabilitate, eficiena etanrii i preul de cost. Eficiena etanrii realizate de segment depinde de presiunea medie elastic (pe) aplicat de acesta pe oglinda cilindrului n corelaie cu presiunea gazelor din spatele segmentului. Elasticitatea segmentului se opune tendinei de ntrerupere a contactului provocat de deformrile de montaj i termice, de uzura suferit de cilindru. Segmentul exercit presiunea pe pe oglinda cilindrului numai dac este liber n canal, pentru a putea urmri deformaiile cilindrului. La motoarele de turaie ridicat datorit presiunii radiale mici a gazelor i vibraiei trebuie s se asigure segmentului presiuni medii elastice mrite. Mrirea presiunii medii elastice a segmenilor diminueaz pulsaia acestora i mrete coeficientul de transfer de cldur spre cmaa cilindrului. Valori prea ridicate ale presiunii pot provoca uzuri importante ale segmentului i cmii. La proiectarea segmentului trebuie s se adopte o grosime radial de valoare redus pentru a micora masa acestuia. Dac nu se pot utiliza materiale cu caliti elastice superioare, se vor adopta segmeni cu grosimi radiale mrite, ceea ce faciliteaz evacuarea cldurii de la pistoane la cilindri i elimin vibraiile radiale. Mrirea grosimii radiale conduce la creterea tensiunilor de ncovoiere n seciune, de aceea se impune utilizarea unor materiale cu rezistena admisibil la ncovoiere ridicat. Adoptarea grosimii axiale a segmentului trebuie s in seama de o serie de factori. Astfel, pentru a realiza a bun rcire a pistonului, segmentul trebuie s aib o grosime axial ct mai mare. La motoarele de turaie ridicat creterea grosimii axiale determin creterea zonei portsegmeni a pistonului, cu efecte negative asupra masei ineriale ale acestuia, n plus crete i masa segmentului i acesta intr uor n pulsaie i vibraie. De aceea se recomand reducerea grosimii axiale a segmentului odat cu creterea turaiei motorului. Alegerea numrului de segmeni ai pistonului trebuie s in seama de urmtoarele considerente: un numr mare de segmeni nu mbuntete etanarea, ci mrete numai nlimea pistonului cu efecte negative asupra masei acestuia; un numr prea mic de segmeni nu realizeaz sigurana n funcionare. Numrul de segmeni poate fi mrit cnd se urmrete reducerea nivelului termic al pistonului.

17

Rolul principal n etanarea camerei de ardere o are primul segment, ceilali segmeni avnd o eficien mai redus. Se apreciaz c se realizeaz o etanare optim dac presiunea gazelor dup ultimul segement este de 34% din presiunea gazelor din camera de ardere, iar volumul de gaze scpate spre carter este cuprins ntre 0,21,0% din volumul ncrcturii proaspete admise n cilindrul motorului. La motoarele cu aprindere prin scnteie este suficient un singur segment de ungere care se plaseaz la partea inferioar a regiunii portsegment, asemenea soluie se aplic i la motoarele cu aprindere prin comprimare de turaie ridicat. n cazul M.A.C. de cilindree mare deoarece jocul ntre piston i cilindru este mare, se folosesc doi segmeni de ungere, dintre care unul la partea inferioar a mantalei. n ceea ce privete forma constructiv n prezent exist o mare varietate de tipuri. Segmentul cel mai simplu este cel cu seciunea dreptunghiular. Muchiile ascuite ale segmentului cur pelicula de ulei, iar perioada de rodaj este mare deoarece segmentul se aplic pe cmaa cilindrului cu toat grosimea axial. Primul dezavantaj se nltur prin racordarea muchiilor segmentului; al doilea dezavantaj se nltur dezvoltnd o presiune specific mai mare pe suprafaa lateral. n acest scop se micoreaz nlimea de reazem a segmentului pe cilindru. Pentru a reduce nlimea segmentului o prim soluie const n nclinarea suprafeei laterale cu un unghi de 25'45'. n acelai scop se prevede pe suprafaa lateral o poriune cilindric de 0,40,8 [mm] i una nclinat cu 210o. Deschiderea unghiului este ndreptat totdeauna spre chiulas pentru a reduce consumul de ulei. Realiznd teirea ambelor muchii ale segmentului se reduce nlimea de reazem i se creeaz efectul de pan la deplasarea segmentului n ambele sensuri; forma optim fiind dat de segmentul bombat. Segmenii cu seciune nesimetric se numesc segmeni de torsiune sau de rsucire. O soluie eficient contra blocrii segmentului n canal o constituie segmentul trapezoidal realizat prin nclinarea feelor cu 5100 . Durabilitatea segmenilor se mrete dac suprafaa lateral se acoper cu un strat protector de crom. n acelai scop se prevd canale pe suprafaa lateral n care se introduc inserii de cositor, bronz sau oxid de fier cu grafit, inserii care depesc suprafaa segmentului cu 0,050,10 [mm] i au dimensiunile n seciune de 0,5 x 0,6 mm. Pentru a mri rezistena la solicitri mecanice segmenii se pot executa din dou sau trei piese (P60P65). Mrirea presiunii elastice exercitate de segment pe oglinda cilindrului, se poate realiza prin utilizarea i la segmenii de compresie a unor expandori (P81, P82). Segmenii de ungere se clasific n: segmeni cu seciune unitar sau neperforai i segmeni cu seciune perforat. Segmentul neperforat evacueaz o cantitate mai mic de ulei, segmenii se perforeaz cnd este necesar s se evacueze o cantitate sporit de ulei. La segmenii neperforai, suprafaa de reazem pe oglinda cilindrului se micoreaz prin prelucrare conic sau teirea muchiilor la care se adaug degajarea pentru raclarea energic . La segmenii perforai nlimea de reazem se micoreaz prin practicarea unor degajri i reducerea adecvat a suprafeei de reazem. La aceti segmeni presiunea elastic are valori cuprinse ntre 0,140,70 [N/mm2]. Ca segmeni de ungere se folosesc i segmenii cu expandor. Expandorul este un element elastic care se monteaz n spatele segmentului n canal. Expandorul contribuie la sporirea i uniformizarea presiunii elastice aplicate de segment pe oglinda cilindrului. Principalele perticulariti constructive sunt prezentate n figura 9.5. Materialul pentru segmeni trebuie s posede urmtoarele proprieti: 1) caliti bune de alunecare; 2) duritate ridicat; 3) rezisten la coroziune; 4) rezisten mecanic ridicat la temperaturi ridicate; 5) modul de elasticitate superior la temperaturi mari; 6) caliti bune de adaptabilitate la forma cilindrului.

18

Fonta cenuie constituie materialul care realizeaz un bun compromis ntre aceste cerine. Se utilizeaz fonta cenuie cu grafit lamelar. n unele cazuri cnd este necesar o rezisten mecanic ridicat se utilizeaz oelul. Aplicarea pe segment a unor straturi superficiale dure mrete rezistena la uzare, cromarea poroas reduce uzura segmentului de 25 ori, i se aplic n general segmentului de foc.

2.5.2.

Calculul segmenilor

Calculul segmentului urmrete urmtoarele obiective: 1. S se stabileasc forma n stare liber i mrimea fantei astfel nct prin strngere pe cilindru segmentul s dezvolte o repartiie de presiune determinat; 2. S se stabileasc cele dou dimensiuni de baz ale segmentului, 3. S se verifice ca tensiunile care apar n segment la deschiderea lui pentru montaj s nu depeasc limita admisibil; 4. S verifice fanta la cald pentru a preveni unirea capetelor n timpul funcionrii. Alegerea dimensiunilor segmenilor se va face dup un tabel cu segmeni care exist n producie. n general se folosesc segmeni standardizai.

2.6.

Proiectarea bielei

Condiiile de solicitare la care este supus biela n funcionarea motorului, impun gsirea acelor soluii constructive ale bielei care s asigure o rezisten i o rigiditate maxim n condiiile unei mase ct mai mici. n acest sens se constat o serie de tendine, care vizeaz scurtare lungimii bielei, renunarea la buca de bronz din piciorul bielei prin utilizarea bolurilor presate; nlocuirea bielelor forjate cu biele turnate din font maleabil sau nodular, utilizarea bielelor din materiale compozite. La motoarele cu aprindere prin scnteie sunt preferate bielele scurte (r/l = 1/4...1/3) care ofer o rigiditate satisfctoare, au o mas redus i determin diminuarea nlimii motorului. Dezavantajele soluiei sunt: creterea uzurii cilindrului i creterea lungimii mantalei pistonului. n cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare se utilizeaz biele lungi pentru diminuarea valorii forei normale.

2.6.1.

Piciorul bielei

La proiectarea piciorului bielei trebuie s se in seama de dimensiunile bolului i de tipul mbinrii piston-bol-biel. Pentru corectarea masei bielei n partea superioar sau cea lateral se prevede o proeminen. Rigidizarea piciorului bielei se realizeaz prin adoptarea de raze mari de racordare ntre acesta i corpul bielei sau se deplaseaz centrul gurii bolului fa de centrul piciorului . n cazul montajelor cu bol fix n umerii pistonului i cu bol flotant uleiul pentru ungerea cuplei bol piciorul bielei este colectat din ceaa din carterul motorului prin intermediul unui orificiu sau unei tieturi. Ungerea sub presiune a bolului presupune aducerea uleiului printr-un canal care strbate corpul bielei. n cazul n care este necesar s se asigure rcirea capului pistonului se prevede n piciorul bielei un pulverizator iar buca trebuie prevzut cu un canal colector. mbinarea cu bol fix n biel utilizeaz ajustajul cu strngere, montajul fiind asigurat prin nclzirea bielei. Soluia de biel cu picior elastic este mai puin utilizat la motoarele pentru autovehicule. La bolul flotant i bolul fix n umerii pistonului, n piciorul bielei se monteaz cu strngere o buc din bronz.

19

2.6.2.

Corpul bielei

Pentru a se asigura un moment de inerie maxim att n planul de oscilaie ct i n planul perpendicular pe acesta, seciunea transversal a corpului bielei se adopt n forma de dublu T. n cazul ungerii sub presiune a bolului, corpul bielei este prevzut cu un canal. La bielele lungi se poate utiliza o conduct prin care uleiul este transportat de la corpul bielei la piciorul bielei.

2.6.3.

Capul bielei

Capul bielei este secionat, capacul se separ de partea superioar a capului, dup un plan normal pe axa bielei sau dup un plan oblic, nclinat cu 45o mai rar cu 30o sau 60o fa de planul de ncastrare. Soluia se adopt pentru a permite trecerea capului bielei prin cilindru la montaj. n cazul separrii capacului dup un plan nclinat fa de axa bielei fora care supune biela la ntinderea se descompune n dou componente, una axial i una tangenial. Deoarece nu este permis solicitarea de forfecare a uruburilor de biel de componenta tengenial, aceasta poate fi preluat de: renuri triunghiulare practicate n planul de separaie; praguri ale capacului; buce de centraj; tifturi. Pentru a se micora dimensiunile capului, distana dintre uruburi trebuie s fie ct mai mic (grosimea minim a peretelui interior n dreptul gurii urubului finnd de 1,0...1,5 mm, iar grosimea peretelui exterior este de 2 mm). Muchiile ascuite din partea superioar determin apariia ruperilor de aceea ele se nlocuiesc cu racordri sau degajri. La capacul bielei se prevd nervuri de rigidizare i un exces de material pentru ajustarea masei bielei . La motoarele cu cilindrii n V, dac bielele sunt montate alturat pe acelai maneton, ele sunt identice i au capul asemntor cu cel al bielelor pentru motoarele n linie. n cazul soluiei de ambielaj furc, una din biele are capul n furc, iar cealalt, biel inferioar - are capul normal. Ambele biele lucreaz asupra aceleai buce. La ambielajul articulat, biela 1 transmite micarea bielei mame 2. La aceast soluie constructiv suprafaa portant a bielei se unge cu ulei sub presiune de la maneton. La motoarele n V pentru autovehicule datorit simplitii constructive i de montaj este aplicat cu preponderen soluia cu biele alturate.

2.6.4.

uruburile de biel

Pentru prinderea capacului se utilizeaz dou sau patru uruburi, din partea capacului spre capul bielei. Utilizarea unor uruburi fr piulie face posibil micorarea dimensiunilor capului de biel. n cazul adoptrii acestei, soluii pentru urub, se fileteaz gaura din partea superioar a capului bielei. O soluie comod o constituie folosirea unor uruburi prizoniere prelucrate dintr-o bucat cu partea superioar a capului. Capul i corpul uruburilor de biel pot avea diverse forme constructive n funcie de soluia adoptat pentru capul bielei. Materialele care rspund cerinelor impuse bielei sunt: oelurile de mbuntire cu coninut mediu de carbon (0,35...0,45%) mrcile OLC 45 X, OLC 50 i oelurile aliate mrcile 40C 10, 41 MoC 11. Biela poate fi fabricat i prin turnare din font maleabil perlitic tratat termic.uruburile de biel se execut de regul din aceleai materiale ca i biela. Buca din piciorul bielei se execut din bronz cu plumb, bronz cu staniu sau bronz fosforos.

20

2.6.5.

Calculul bielei

2.6.5.1. Calculul piciorului bielei Dimensiunile caracteristice ale piciorului bielei se determin iniial pe baza datelor constructive obinute prin metode statistice . n timpul funcionrii, n piciorul bielei iau natere tensiuni determinate de: 1. Solicitarea de ntindere produs de fora de inerie a grupului piston; 2. Solicitarea de compresiune produs de rezultanta dat de fora de presiune a gazelor i fora de inerie; 3. Solicitarea de fretare produs la presarea bucei sau a bolului n picior. a)Solicitareadentindere Fora de ntindere are valoarea maxim cnd fora datorat presiunii gazelor este minim, deci cnd pistonul se afl la PMS la nceputul cursei de admisie. Tensiunile unitare produse de fora de ntindere se determin n urmtoarele ipoteze: a) piciorul bielei reprezint o grind curb ncastrat n zona de racordare a piciorului cu corpul bielei; b) fora de ntindere este distribuit uniform pe jumtatea superioar a piciorului. n seciunea de ncastrare momentul ncovoietor i fora normal solicit att piciorul bielei ct i buca sau bolul presat, n aceste condiii se utilizeaz un coeficient de proporionalitate K. Se calculeaz tensiunile n seciunea de ncastrare A-A pentru fibra interioar respectiv exterioar produse de fora de ntindere se calculeaz. Dac unghiul de ncastrare c 90, relaiile pentru momentul ncovoietor i fora normal n seciunea de ncastrare devin: Momentul ncovoietor Mo, fora normal No i tensiunile n seciunea de ncastrare se calculeaz cu relaiile determinate la analiza primului caz (Figur 3).

Figur 3 Schema de ncrcare a piciorului bielei la ntindere

21

b)Solicitareadecompresiune Fora de compresiune are valoarea maxim cnd presiunea din cilindru are valoarea maxim. Calculul tensiunilor produse n piciorul bielei de solicitarea de compresiune se efectueaz n urmtoarele ipoteze: a) piciorul bielei se consider o grind curb ncastrat n zona de racordare cu corpul bielei; b) fora de compresiune este distribuit sinusoidal pe jumtatea inferioar a piciorului. Valorile tensiunilor n seciunea de ncastrare determinate de fora de compresiune se calculeaz pentru fibra interioar i cea exterioar.

Figur 4 Schema de ncrcare a piciorului bielei la comprimare

c)Solicitareadatoratpresriibucei n timpul funcionrii motorului la strngerea de montaj se adaug o solicitare suplimentar de compresiune datorat dilatrii bucei de bronz. Se determin presiunea datorat strngerii. Valorile tensiunilor produse de presiunea pf sunt: a) n fibra interioar: b) n fibra exterioar: Coeficientul de siguran al piciorului bielei se calculeaz n ipoteza unei solicitri de oboseal dup un ciclu simetric de ntindere - compresiune, pentru fibra exterioar n seciunea de ncastrare. Valorile coeficientului de siguran calculate trebuie s fie cuprinse n intervalul 25. Se determin de asemenea deformaia produs piciorului bielei sub aciunea forei de inerie. La montajul cu bol liber n piciorul bielei pentru a se preveni griparea, deformaia produs de fora de inerie nu trebuie s depeasc jumtate din valoarea jocului de montaj.

2.6.6.

Calculul corpului bielei

Corpul bielei se calculeaz la oboseal fiind supus la: - ntindere de fora de inerie maxim a maselor aflate n micare de translaie - la compresiune de rezultanta dintre fora maxim a gazelor i fora de inerie. Seciunea de calcul a corpului bielei depinde de forma acestuia. n cazul unei seciuni transversale constante sau uor variabile pe lungime, seciunea de calcul se alege la mijlocul lungimii bielei; la o variaie mai pronunat a seciunii transversale, seciunea de calcul se adopt seciunea minim aflat sub piciorul bielei.

22

n cazul n care se adopt ca seciune de calcul seciunea median a corpului bielei, aceasta este solicitat la ntindere de fora de inerie a maselor ansamblului piston i a masei situate deasupra ei. Se vor calcula tensiunile de ntindere n funcie de aria seciuni de calcul a corpului bielei. Corpul bielei este supus la compresiune asfel c se determin eforturile de compresiune i de flambaj ( n planul de oscilaie i n planul de ncastrare) Valorile rezistenelor admisibile sunt de 160250 N/mm2 pentru biele din oel carbon i 200300 N/mm2 pentru biele din oel aliat. Corpul bielei este supus la solicitri variabile, de ntindere i compresiune dup un ciclu simetric. Se determin coeficientul de siguran valoarea acestuia calculat pentru corpul bielei nu trebuie s fie inferioar coeficientului de siguran admisibil de 2,02,5.

2.6.7.

Calculul capului bielei

Dimensiunile caracteristice ale capului bielei se deduc din dimensiunile fusului maneton. Capul bielei se racordeaz cu raze mari la corpul bielei ceea ce face nensemnat solicitarea de compresiune a acestuia (Figur 5). Solicitarea de ntindere se transmite numai capacului i este determinat de fora de inerie a pieselor aflate n micare de translaie i de fora centrifug a masei bielei care efectueaz micarea de rotaie mai puin masa capacului bielei. Calculul tensiunilor se realizeaz admind urmtoarele ipoteze: a) Capul bielei este o bar curb continu; b) Seciunea cea mai solicitat este seciunea de ncastrare c) Capacul bilei are seciunea constant cu un diametru mediu egal cu distana dintre axele uruburilor; d) Fora de ntindere este distribuit pe jumtatea inferioar a capacului dup o lege sinusoidal ; e) Cuzinetul se deformeaz mpreun cu capacul i preia o parte din tensiuni proporional cu momentul de inerie al seciunii transversale. Solicitarea capului bielei se desfoar dup un ciclu pulsator, coeficientul de siguran trebuie s aib valori cuprinse n intervalul 2,5 ...3,0. Sub aciunea forei de inerie se produc deformaii n seciunea de separare a capacului de corp.Valoarea deformaiei calculate nu trebuie s depeasc jumtate din jocul de montaj D.

Figur 5 Schema de calcul pentru capul bielei

23

2.6.8.

Calculul uruburilor de biel

uruburile de biel sunt solicitate de fora de strngere iniial i de fora de inerie a maselor n micare de translaie i a maselor n micare de rotaie care se afl deasupra planului de separare dintre corp i capac. Verificarea la oboseal se face considerndu-se c ciclul de solicitare este ondulant pozitiv sau pulsator. Se calculeaz eforturile maxime i minime. Coeficientul de siguran se determin pe baza diagramei schematizate prin dou linii frnte a lui Serensen. Valorile coeficientului de siguran calculat trebuie s se ncadreze n intervalul 2,5...4,0. Valoarea obinut se corecteaz n conformitate cu normativele privind dimensiunile filetului.

2.6.9.

Alegerea dimensiunilor

La biel deja este ales locaul bolului, astfel nct se va alege doar diametrul exterior al piciorului. De asemenea se va alege i diametrul i lungimea manetonului din .[ 3] , pagina 38, tabelul 8.4. Pentru corpul bielei seciunea n acesta este o figur asemenea n orice zon, de aceea se va alege numai dimensiunea la cap i la picior. Restul de elemente se aleg statistic.

2.7.

Proiectarea arborelui cotit

La proiectarea arborelui cotit se vor alege acele soluii care s asigure o rigiditate maxim. Pentru atingerea acestui deziderat la cele mai multe construcii fusurile paliere se amplaseaz dup fiecare cot, diametrele acestora se mresc, iar lungimile acestora se micoreaz, de asemenea aceste msuri fac posibil mrirea dimensiunilor braelor. Rigiditatea arborelui cotit poate fi mbuntit i prin mrirea suprapunerii seciunilor fusurilor paliere i manetoane, zon cu cea mai ridicat concentrare de tensiuni. Solicitarea cu fore variabile produce fenomenul de oboseal al arborelui cotit, periculos ndeosebi la trecerea de la fus la bra, deoarece trecerea reprezint un concentrator de tensiune. n scopul atenurii efectului de concentrare a tensiunilor, racordrile dintre fusuri i brae se realizeaz cu raze ct mai mari, dup un arc de elips sau arc de parabol. Pentru mrirea suprafeei de sprijin a fusului racordarea se poate executa sub forma unui arc cu raze variabile .O soluie eficient de diminuare a tensiunilor cu 2030% o constituie racordarea cu degajare, dar aceast soluie determin micorarea suprafeei portante a fusurilor. Pentru a uura rectificarea fusurilor se prevd praguri cu o grosime de 0,51,5 mm i cu un diametru mai mare cu 8...15 mm dect diametrul fusului. Pragurile se racordeaz ctre bra cu raze de 0,5...1,0 mm. Diametrul fusului maneton se stabilete n aa fel nct s se obin dimensiuni pentru capul bielei care s permit trecerea acestuia prin alezajul cilindrului. De asemenea, diametrul fusului maneton trebuie s satisfac condiia ca viteza periferic s nu depeasc 11 m/s pentru a se asigura o bun comportare a cuzineilor n exploatare. Reducerea greutii arborelui i a forelor centrifuge se poate obine prin utilizarea fusurilor tubulare. Soluia asigur o mai bun distribuire a fluxului de fore, determinnd o cretere a rezistenei la ncovoiere i torsiune cu 2030% iar a rezistenei la oboseal cu pn la 100%. Echilibrarea arborelui cotit i descrcarea lagrelor paliere se realizeaz prin aplicarea de contragreuti n prelungirea braelor. Contragreutile pot fi ataate prin intermediul uruburilor la arborii cotii forjai sau pot fi obinute direct la turnarea arborelui cotit. Forma lor este foarte apropiat de cea unui sector de disc ntruct la un cuplu static mare prezint un moment de inerie mic.

24

Captul anterior al arborelui cotit se proiecteaz n trepte pentru a face posibil montarea roilor dinate pentru antrenarea distribuiei eventual a pompei de injecie sau pompei de ulei; a roilor de curea pentru antrenarea pompei de ap, ventilatorului, generatorului de curent, a compresorului sau a pompei de vid. La unele motoare pe captul din fa al arborelui cotit se prevede montarea amortizorului de vibraii torsionale. O atenie deosebit trebuie s se acorde etanrii captului anterior pentru a prevenii scurgerile de ulei. Captul posterior al arborelui cotit se proiecteaz ct mai scurt posibil i el trebuie prevzut cu o flan pentru montarea volantului. Etanarea captului posterior se poate realiza combinat prin inele deflectoare i manete de etanare din cauciuc sau psl. De asemenea pentru a mbuntii etanarea pe ultima poriune a fusului se poate executa o poriune de filet cu sens invers sensului de rotaie al arborelui. La proiectarea arborelui cotit, n funcie de turaia maxim se va dimensiona diametrul suprafeei care vine n contact cu garnitura deoarece viteza periferic este un factor limitativ n utilizarea diverselor garnituri de etanare. Garniturile de etanare din psl rezist pn la viteze periferice de 22 m/s, manoanele din cauciuc nitrilic pn la viteze periferice de 12 m/s i temperaturi de 383 K; cele din cauciuc acrilic pn 20 m/s i temperatura de 423 K iar cel din cauciuc siliconic pn la viteze de 35 m/s i temperatura de 453 K. La trasarea canalelor de ungere dintre fusurile paliere i manetoane se va evita planul nclinat la 45o fa de planul cotului, deoarece n acest plan se produc tensiunile maxime de torsiune. Condiiile tehnice impuse la proiectarea arborelui cotit trebuie s fie foarte severe, dat fiind importana lui n funcionarea mecanismului motor. Abaterile de la limita impus geometriei fusurilor condiioneaz durabilitatea cuzineilor, uzura fusurilor i n consecin durabilitatea arborelui. Toleranele privind poziia spaial se refer la concentricitatea fusurilor i rectiliniaritatea axei arborelui cotit, care trebuie s fie n limitele 0,0250,035 mm, precum i la neparalelismul axelor fusurilor paliere i manetoane care se admite de 0,0150,050 mm/100 mm n planul perpendicular pe aceasta. Toleranele la lungimea fusurilor paliere i manetoane se admit n limitele 0,150,35 mm, iar pentru fusul palier de ghidare axial 0,050,15 mm. Pentru a asigura rezistena la uzur, duritatea fusurilor trebuie s fie de 5265 HRC, iar adncimea stratului durificat de 2,54,5 mm. Calitatea suprafeelor fusurilor paliere i manetoane este legat de asigurarea rezistenei la oboseal i de condiiile de uzur a fusurilor i cuzineilor. De aceea rugozitatea suprafeelor fusurilor se limiteaz la 0,10,4mm. Evitarea apariiei unor dezechilibre se realizeaz prin aplicarea echilibrrii dinamice a arborelui cotit, care const n a corecta masa arborelui astfel nct axa principal de inerie s coincid cu axa de rotaie. Pentru a satisface cerinele impuse arborilor cotii, rezistena la oboseal, rigiditate, o calitate superioar a suprafeelor fusurilor, acetia se execut din font sau oel. Fonta a dat bune rezultate la confecionarea arborilor cotii pentru motoarele cu aprindere prin scnteie i anume fonta modificat cu grafit nodular. De asemenea se poate folosi fonta aliat cu Cr, Ni, Mo, Cu. Semifabricatele din font se obin prin turnare ceea ce confer acestora o bun precizie micornd volumul prelucrrilor mecanice cu 25-30%. Oelurile folosite pentru obinerea arborilor cotii sunt oeluri de mbuntire cu i fr elemente de aliere. n mod obinuit se folosesc oeluri carbon de calitate OLC45 i OLC60. Pentru arborii cotii puternic solicitai se utilizeaz oeluri aliate cu Cr-Ni, Cr-Ni-Mo sau CrMo. Schema de ncrcare a arborelui este prezentat n Figur 6.

25

Figur 6 Schema de ncrcare a arborelui

2.7.1. nclzire

Verificarea fusurilor la presiune i la

Presiunea maxim pe orice fus al arborelui cotit se calculeaz n funcie de dimensiunile lui i de forma maxim care- l ncarc Pentru a se preveni expulzarea peliculei dintre fusuri i cuzinei trebuie s le limiteze presiunea maxim pe fusuri.

2.7.2.

Verificarea la oboseal

Calculul arborelui cotit ca o grind static nedeterminat implic dificulti. De aceea calculul impune adoptarea unei scheme simplificate de ncrcare i deformare care consider arborele cotit ca o grind discontinu alctuit dintr-un numr de pri egal cu numrul coturilor. Calculul se efectueaz pentru fiecare cot n parte n urmtoarele ipoteze simplificatoare: a) fiecare cot reprezint o grind simplu rezemat pe dou reazeme ; b) reazemele sunt rigide i coaxiale; c) momentele ncovoietoare n reazeme se neglijeaz; d) fiecare cot lucreaz n condiiile amplitudinilor maxime ale momentelor de ncovoiere i de torsiune i a forelor variabile ca semn; e) n reazemul din stnga cotului acioneaz un moment de torsiune egal cu suma momentelor coturilor care preced cotul de calcul 2.7.2.1. Verificarea fusurilor paliere

26

Fusul palier este solicitat la torsiune i ncovoiere dup un ciclu asimetric. Deoarece lungimea fusurilor este redus, momentele ncovoietoare au valori mici i n aceste condiii se renun la verificarea la ncovoiere. Fusurile paliere dinspre partea anterioar a arborelui cotit sunt solicitate la momente de rsucire mai mici dect acelea care acioneaz n fusurile dinspre partea posterioar a arborelui i mai ales n fusul final, deoarece n aceasta se nsumeaz momentele medii produse de fiecare cilindru. Calculul trebuie dezvoltat pentru fiecare fus n parte, ceea ce implic nsumarea momentelor de torsiune. Valorile calculate pentru coeficientul de siguran trebuie s fie superioare valorilor de 3...4 pentru MAS, 45 pentru MAC i 23 pentru MAC supraalimentat. 2.7.2.2. Verificarea fusurilor manetoane

Fusul maneton este solicitat la ncovoiere i torsiune. Calculul se efectueaz pentru un cot care se sprijin pe dou reazeme i este ncrcat cu fore concentrate. Deoarece seciunea momentelor maxime ale acestor solicitri nu coincide n timp, coeficientul de siguran se determin separat pentru ncovoiere i torsiune i apoi coeficientul global de siguran. Reaciunile n reazeme se determin din condiiile de echilibru ale forelor i momentelor. Este convenabil ca forele ce acioneaz asupra fusului s se descompun dup dou direcii: una n planul cotului, cealalt tangenial la fusul maneton. 2.7.2.3.

Verificarea braelor

Braul arborelui cotit este solicitat de sarcini variabile de ntindere, compresiune, ncovoiere i torsiune. Coeficienii de siguran pentru aceste solicitri se determin n mijlocul laturii mari a seciunii tangente fusului palier unde apar cele mai mari eforturi unitare.

2.7.3.

Alegerea dimensiunilor

Dimensiunile arborelui se aleg din .[ 3] , pagina 38, tabelul 8.4. Deoarece se pot alege un numr mai mare de date dect este necesar (de exemplu se aleg pasul ntre cilindrii, lungimea palier i maneton i grosimea braelor, dar pasul ntre cilindrii este suma acestora), se vor alege doar pasul ntre cilindrii , lungimea maneton i grosimea braelor, lungimea palierului rezultnd. Dup fiecare modificare de dimensiuni este necesar rerularea programelor specifice arborelui, forele i momentele depinznd de dimensiuni.

27

3.

Exemplu de calcul

n cadrul acestui capitol se va realiza un exemplu de calcul pentru un motor cu aprindere prin scnteie.

3.1.

Tema de proiect

S se proiecteze un motor cu aprindere prin scnteie cu urmtoarele caracteristici: Putere nominal 55 kW Turaie nominal 5500 rpm Raport de comprimare 9.5 Numr de cilindrii 4 n linie Motor aspirat presiunea de aspiraie 0.09 Mpa. Cu aceste date de intrare se pornete fiierul Excel. Prima fereastr este cea de ntmpinare care prezint elementele programului:

Figur 7 Fereastra de ntmpinare

Din aceast fereastr se pot alege cele dou variante posibile cu formulare sau direct n tabelele Excel. Vom alege prima variant, cea cu formulare.

28

Figur 8 Alegerea modalitii de lucru

Alegerea unui proiect nou va genera tergerea tuturor datelor anterioare pregtind foile de lucru pentru un nou proiect.

Figur 9 Indicaii privind ordinea de parcurgere a etapelor

Aceast fereastr ofer indicaii asupra modului de desfurare a etapelor de calcul. Aceast ordine este impus de relaiile geometrice ntre piese, care vor fi introduse o singur dat (de exmplu diametrul bolului, necesar la biel i piston).

29

Figur 10 Fereastra cu modulele programului

n aceast fereastr se poate alege oricare modul, cu observaia c cele anterioare au fost parcurse. De asemenea se poate reveni asupra unui modul, de exemplu dup terminarea ntregului proiect se poate reveni asupra estimrii maselor, se reface calcul dinamic, se reruleaz programele de arbore i rezult noii coeficieni de siguran. Cu aceasta se pot introduce datele n fereastra de date iniiale:

Figur 11 Datele proiectului

30

Odat introduse datele iniiale vor fi memorate n spaiul de lucru i nu mai este necesar pentru celelalte etape.

3.2.

Calculul termic3.2.1. Datele de intrare

Datele necesare pentru calculul termic vor fi introduse n urmtoarea fereastr (Figur 12):

Figur 12 Formularul pentru datele necesare arderii

Elementele din ferestre se introduc funcie de datele utilizatorului, iar prin apsarea butoanelor help se pot obine informaii suplimentare.

Figur 13 Fereastra cu rezultatele arderii

Dac se consider c varianta nu este mulumitoare se poate reveni la fereastra de date prin apsarea butonului No

31

Figur 14 Exemplu de eroare de date

Dac se utilizeaz o dat eronat din punct de vedere tehnic (puterea litric prea mare, ceea ce va conduce la imposibilitatea realizrii cerinelor ), va apare o fereastr de avertizare care va cere modificarea puterii litrice sau a excesului de aer

Figur 15 fereastr pentru modificarea datelor arderii

3.2.2.

Rezultatele arderii

Rezultatele arderii sunt prezentate n foaia date_finale n domeniul B2:D63

32

Figur 16 rezulatatele arderii

33

3.3.

Calculul dinamic

Pentru realizarea calculului dinamic este necesar completarea datelor din formularul corespunztor acestuia:

Figur 17 Formularul pentru calculul dinamic

Odat introduse datele evaluate ale maselor grupului piston i al bielei se calculeaz toate forele i momentele din mecanismul motor. Acestea sunt reprezentate i grafic, iar vizualizarea lor este realizat cu formularul:

Figur 18 Formular pentru vizualizarea graficelor forelor i momentelor

Spre exemplificare se prezint diagrama indicat i momentul mediu al motorului.

34

Presiunea (MPA)

8.00

7.00

6.00

5.00

4.00

3.00

2.00

1.00

0.00 0.00

50.00

100.00

150.00

200.00 Volumul

250.00

300.00

350.00

400.00

450.00

Figur 19 Diagrama indicatMrez

1500.00

1000.00

500.00

Nm

0.00 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Mrez

-500.00

-1000.00

-1500.00 Alfa

Figur 20 Momentul rezultant

3.4.

Proiectarea bolului3.4.1. Date de intrare

Pentru proiectarea bolului este necesar completarea urmtorului formular:

35

Figur 21 Formularul pentru bolt

Pentru material se bifeaz unul din materialele predefinite. O prim variant de rezultate este prezentat n fereastra urmtoare:

Figur 22 Formular rezultate bolt

36

Se remarc c pentru presiunea de contact la biela coeficentul este subunitar. Aici apare posibilitatea modificrii fie a dimensiunilor, fie a valorii presiunii de contact admisibile.

3.4.2.Rezultate bolt

Rezultate

date geometrice

d di l lbiela lpiston

24 12 72 24 23 Rezultate eforturi

mm mm mm mm mm

Presiunea de contact pa= pb= 24.78 MPa 47.49 MPa Verificarea la incovoiere smax= smin= 157.65 MPa -25.45 MPa Verificarea la forfecare 75.35 MPa

Coef sig 2.42 1.26

2.09

tmax

1.59

k= fb

Verificarea la deformatie 1.485 admisibil coeficient 5.22 zecimi 12.00 2.30 Figur 23 Rezultate complete bolt

3.5.

Proiectarea pistonului3.5.1. Date de intrare

Formularul este prezentat n Figur 24. Datele sunt n general raportate la alezaj, cu excepia grosimii camii i a peretelui pistonului. Dac grosimea cmii nu este o dat de intrare n calcul, ci doar la proiectare, pentru grosimea peretelui este necesar o alegere cu cel puin 2..3 mm mai mare ca laimea segmentului.

37

Figur 24 Formular de date iniiale piston

3.5.2.

Rezultate de calcul

Acestea sunt prezentate n foaia Excel, cu o fereastr care permite revenirea la formularul de introducere a datelor (Figur 25). Pentru datele de intrare prezentate exist doi coeficieni de siguran subunitari, la umerii pistonului i regiunea port-segmeni. n aceast situaie se poate opta pentru modificarea materialului sau a dimensiunilor, iar n acest exemplu se vor modifica dimensiunile.

Figur 25 Rezultate preliminare piston

38

Dup o serie de ncercri se pot considera rezultatele ca fiind satisfctoare i rezultatele se gsesc n domeniul g2:m45 din zona de rezultate.

Figur 26 Rezultate finale piston

3.5.3.

Vizualizarea formei brute a pistonului

Pentru aceasta se apas pe butonul de scriere fiiere grafice al meniului principal.

Figur 27 Meniul principal

39

Programul astfel pornit va genera un fiier Excel cu parametrii de generare a unor modele CATIA. Se pornete CATIA cu fiierul de piston, care se va actualiza cu noile date.

Figur 28 Meniul de alegere a piesei pentru generarea fiierului de parametrii

Aceast prim variant nu a reuit deoarece umerii pistonului depesc lungimea acestuia. Din acest motiv este necesar modificarea fie a grosimii umerilor, fie a lungimii pistonului.

Figur 29 Prima variant grafic de piston

Pentru a reduce diametrul umerilor am modificat materialul crescnd efortul la forfecare. De asemenea am marit putin i lungimea pistonului. Noua form a pistonului este prezentat mai jos. Aceasta este forma brut, iar greutatea lui este 0,288 kg.

40

3.6.

Proiectarea segmenilor3.6.1. Date de intrare

La semeni se aleg dimensiunile i apoi se verific dac se respect condiiile de rezisten.

Figur 30 Formularul de introducere date pentru segmeni

O prim evaluare cu datele iniiale este fcut i se afieaz fereastra:

41

Figur 31 Rezultate preliminare segmeni

Dac se dorete utilizarea unui segment de dimensiune mai mic se vor modifica datele iniiale i apoi se completeaz formularul pentru geometrie. Odat cu introducerea datelor geometrice din un tabel cu dimensiuni ale segmenilor se determin forma liber a acestuia.Forma libera45.00

40.00

35.00

30.00

25.00 R

20.00

15.00

10.00

5.00

-50.00

-40.00

-30.00

-20.00

-10.00

0.00 0.00 R

10.00

20.00

30.00

40.00

50.00

Figur 32 Forma liber a segmentului

42

3.7.

Proiectarea bielei3.7.1. Date de intrare

La biel calculul se realizaz pe cele trei zone considerate cvasiindpendente supuse la diverse solicitri. Astfel se vor genera elemente geometrice pentru picior, corp i cap i se vor face calculele pentru toate elementele cu un material comun.

Figur 33 Ferestra de date iniiale biel

Se consider ales diametrul bolului i limea picirului, proiectate n etapa de alegere a dimensiunilor bolului. Se completeaz datele din formular i rezult:

Figur 34 Date de intrare biel

43

Dup introducerea datelor programul vizualizeaz rezultatele i dac nu sunt valabile se poate reveni asupra lor:

Figur 35 Rezultate preliminare biel

Se observ un coeficient de siguran mare la zona corpului i relativ mic la urburi. Se mrete efortul admisibil la urub i se micoreaz dimensiunea corpului.

3.7.2.

Rezultate de calcul

Valorile obinute sunt afiate n domeniul AA2:AL48

Figur 36 Rezultate biel

44

3.7.3.

Vizualizarea formei brute a bielei

La fel ca la piston, la terminarea etapei de calcul se poate trece la scrierea fiierului de parametrii pentru biela.

Figur 37 Modulul pentru scrierea fiierelor grafice

Imaginea piesei se va actualiza cu parametrii obinui din calcul i imaginea este urmtoarea:

Figur 38 Imaginea bielei

Dup aceast etap se poate reveni asupra dimeniunilor i reface calculele, dup care se trece la definitivarea modelului de biel.

45

3.8.

Proiectarea arborelui cotit3.8.1. Date de intrare

Arborele cotit are o particularitate n cadrul unui motor cu ardere intern, aceea c are o form constructiv distinct n raport cu formula aleas. Acest lucru determin o mai mare complexitate a calculelor. Formularul de pornire n introducerea datelor arborelui cotit este prezentat n Figur 39.

Figur 39 Formularul de intrare arbore cotit

Prima fereastr cu date este cea a ordinii de aprindere. Programul ofer posibilitatea calculului unui motor n linie sau n V, dar n fiecare fereastr vor apare numai elementele necesare tipului de motor ales Figur 40.

Figur