-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
1/94
Pagina 1 din 94
Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
MEMORIU DE PREZENTARE
Lucrarea de fa prezint modul de proiectare al unui motor termic cu piston, (m.a.s.
aspirat) destinat antrenrii unui autovehicul, precum i calculul din punct de vedere dinamic
al autovehiculului echipat cu motorul proiectat.Pornind de la o serie de date iniiale care impuneau alezajul cilindrilor, cursa
pistoanelor, raportul volumetric, numrulde cilindrii, turaia de putere maxim, s-a urmrit
obinerea unor parametrii efectivi ct mai buni posibili.
Pentru a corespunde ns i cerinelor moderne impuse de destinaia aleas, motorul a
trebuit proiectat innd cont de unele criterii ca:
Masa i dimensiunile de gabarit reduse
Putere ridicatFiabilitate mare n mers
Consum de combustibil ct mai redus
Soluii constructive de mare tehnologitate
Pentru aceasta n partea de calcul termic s-au analizat procesele de admisie,
compresie, destindere i evacuare dup care funcioneaz motorul. n urma acestei analize s -
au determinat parametrii indicai i efectivi ai motorului dup care s-a putut trasa diagrama
indicat a motorului.n continuare, n calculul organologic s-au dimensionat i verificat din punct de
vedere a rezistenei mecanice pistonul, segmenii, bolul de piston, biela i arborele cotit.
Pistonul, din punct de vedere constructiv, s-a proiectat n scopul asigurrii unei funcii
optime de etanare a camerei de ardere, de transmitere a presiunii gazelor necesare motorului,
cu precizarea c s-a cutat obinerea unei mase ct mai mici.
Materialul de execuie este un aliaj de aluminiu pentru pistoane, eutectic, marca :
ATCSi12 CuMgNi KS 1275 : MAHLE 138.
n cadrul calculului pistonului s-au verificat la rezisten :
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
2/94
Pagina 2 din 94
- Fundul pistonului solicitat la eforturi termice generate de nclziri neuniforme i
dilatri diferite i la eforturi mecanice generate de fora de presiune a gazelor i masele de
inerie ;
- Regiunea port-segmeni solicitai la eforturi de ncovoiere ;
- Umerii pistonuluisolicitai la eforturi de ncovoiere ;
- Mantaua pistonuluicare trebuie s reziste presiunii maxime de contact cu cilindrul
i care se profileaz cu scopul asigurrii funciei de etanare.
Pentru segment s-a adoptat aceeai form a celor trei tipuri de segment, adic cu
seciune dreptunghiular i cu lege de asimetrie medie. Materialul, care corespunde
solicitrilor segmentului, a fost adoptat n proiect este fonta : KV1.
Bolul se verific la rezisten mecanic la solicitrile de ncovoiere, n plan
longitudinal, la solicitarea de forfecare n seciunea de separaie dintre piciorul bielei i
bosajele pistonului i la ovalizare n plan transversal. Materialul folosit la realizarea bolului
este un oel de cementare pentru bol : 20MoMnCr 12.
Dup calculul bolului s-a trecut la calculul de rezisten al bielei, solicitat la eforturi
de ntindere, compresiune, ncovoiere i rsucire, precum i la vibraii torsionale.
n urma calculelor analizate s-a stabilit c motorul rezist la solicitrile ce apar n
timpul funcionrii.
Ulterior proiectrii motorului, s-a efectuat i calculul dinamic al autoturismului
echipat cu acest motor. n acest scop s-au efectuat calculul forelor i determinarea bilanului
de traciune i a celui de putere al autoturismului, calculul factorului dinamic, determinarea
acceleraiei autoturismului i a timpului de demarare.
TEMA PROIECTULUI
S se proiecteze un motor pentru acionarea unui autoturism, utiliznd urmtoarele
date:
M.A.S. aspirat
Alezaj: D = 80 (mm)
Cilindree: Vt = 1386 (cm3)
Cursa: S = 69.8 (mm)Raport de compresie: = 8.8
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
3/94
Pagina 3 din 94
Coeficient de dozaj la putere nominal: = 0.9
Putere maxim: P = 75 (CP)
Momentul motor maxim: M = 400 (Nm)
Turaia la moment maxim: nm = 5000 (rot/min)
Piston cu fundul ncastrat, nercit.
C A P I T O L U L I
CALCULUL ENERGETIC
I.1. Consideraii generale.
Acest calcul se execut n scopul determinrii unor mrimi ce se pot grupa astfel:
parametrii efectivi;
parametrii comparativi;
presiunile din cilindru.
Calculul presupune un volum considerabil de operaii. Lund n considerare i iteraia
necesar pentru obinerea temperaturii gazelor reziduale, apare ca justificat folosirea unui
program de calcul care scurteaz n mod evident timpul de lucru. Rezultatele obinute vor fi
afiate pe imprimant, garantndu-se precizia lor.
n ceea ce urmeaz este prezentat, teoretic, algoritmul care a stat la baza programului
si n primul rnd modul de a alege mrimile necesare efecturii calculelor.
I.2. DEFINIREA I ALEGEREA DATELOR DE
INTRARE
- Alegerea parametrilor geometrici ai motorului.
Numrul de cilindrii ai motorului: i = 4Cilindreea total: Vt = 1386 cm
3
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
4/94
Pagina 4 din 94
Alezajul dat n tema proiectului: D = 80 mm
Cursa pistonului: S = 69.8 mm
Raportul = r/l = 0.35 unde: l = lungimea bielei
R = S/2 = lungimea maniveleiRaportul de compresie: = 8.8
Coeficientul de rezisten gazodinamic la curgerea amestecului proaspt prin
seciunea minim a traseului de aspiraie, , se determin experimental pentru un traseu
similar cu cel studiat. Practic valorile sale sunt cuprinse n intervalul (2.62.9) i adopt 2.7:
- Alegerea parametrilor funcionali ai motorului
Turaia nominal : n = 5000 [rot/min] din tema proiectului
Coeficientul de dozaj al amestecului proaspt la regim nominal de funcionare : =
0.9
Viteza amestecului n evria de admisie se recomand ntre (5080) (m/s) la m.a.s.-
uri. Adopt Wa = 70: [m/s]
Coeficientul de rcire la motorului se alege n intervalul (0.450.53), cu valori mari
pentru motoare supraalimentate. Adopt Rm = 0.5:
Coeficientul de ncrcare termic al motorului se alege n intervalul (0.60.7). Adopt
lm = 0.65;
- Alegerea parametrilor ciclului teoretic
Temperatura estimativ a gazelor reziduale se apreciaz iniial din tabele, n funcie
de turaia motorului. Valoarea ei se va corecta pe parcursul calculului termic, n funcie de
rezultatele intermediare. Pentru nceput adopt TR = 900 K;
Raportul de cretere a presiunii la volum constant n timpul arderii, are valori ntre
(1.52.0). Adopt = 2;
Coeficientul de utilizare a cldurii n procesul arderii se determin din diagrame.
Adopt = 0.9;
Coeficientul presiunii reziduale, K1 , este cuprins ntre (0.91.2). Se recomand
pentru motorul din proiect K1 = 1.117;
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
5/94
Pagina 5 din 94
Indicele politropic n procesul de comprimare, n cilindrul motorului, se determin din
monograme, n funcie de raportul de compresie i de temperatura de la sfritul aspiraiei,
Ta . Considernd Ta = 320[oK], rezult n1 = 1.378;
Indicele politropic n procesul de destindere, n cilindrul motorului, se determin dinmonograme, n funcie de gradul destinderii finale (, temperatura maxim de ardere Tr i
coeficientul de dozaj (. Adopt n2 = 1.28;
Diferena de temperatur prin nclzirea aerului nainte de intrarea n cilindru, la
regim nominal, (T = 7[oK].
La alte regimuri, diferite de cel nominal, diferena de temperatur T capt alte
valori. Notnd cu Tndiferena de temperatur la regim nominal, diferena de temperatur
T corespunztoare unei turaii n diferit de turaia nominal nnva fi dat de relaia:
n0125.0110n0125.0110
TT
n
n
=9 [oK]
unde : nn [rot/min]turaia la regim nominal ;
n [rot/min]turaia la regim impus ;
(Tn [oK]diferena de temperatur prin nclzirea aerului, la regim nominal(T [oK]diferena de temperatur prin nclzirea aerului la regim impus;
Coeficientul coreciei presiunii maxime de ardere, = 0.95.
I.3. CALCULUL ADMISIEI
- Ipoteze fundamentale de calcul
- fluidul proaspt i gazele reziduale sunt gaze ideale ;
dup intrarea n cilindru, energia cinetic a ncrcturii proaspete se transform
integral n cldur;
n cursa de admisie presiunea din cilindru rmne constant;
admisia ncepe n p.m.i., perioada de deschidere simultan a supapelor este nul ;
la nceputul admisiei, n cilindru se afl gaze reziduale la presiunea p r , definit derezistenele gazodinamice ale traseului de evacuare ;
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
6/94
Pagina 6 din 94
se ia n considerare fenomenul de postumplere, deci supapa de admisie se nchide cu
ntrziere fa de p.m.e. ;
fluidul proaspt se nclzete n contact cu pereii (traseul de admisie, chiulasa,
cilindrul i pistonul) ;
la sfritul admisiei, n cilindru se afl un amestec omogen de gaze de ardere i fluid
proaspt.
Prin calcul se determin starea fluidului motor la sfritul cursei n punctul a al
ciclului.
- Condiiile iniiale de stare
Presiunea i temperatura fluidului proaspt la intrarea n motor, n cazul admisiei
normale sunt presiunea si temperatura mediului ambiant po i To , care pentru condiiile
standardizate au valorile:
Po=1 bar
To=297 K
- Presiunea i temperatura gazelor reziduale
Presiunea gazelor reziduale prla motoarele n patru timpi se consider c este egal cu
presiunea medie din colectorul de evacuare.
Valorile pentru calcule aproximative, pentru diferite tipuri de motoare, se pot obine
din :
pr = (1,051,25)*po
prare n general valori mici pentru motoarele rapide i valori mari pentru motoarele
lente.Temperatura gazelor reziduale, variaz n funcie de turaia motorului, raportul de
comprimare i coeficientul excesului de aer.
Valorile lui Trsunt pentru m.a.s. cuprinse ntre 900 i 1000 K.
- Coeficientul gazelor reziduale
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
7/94
Pagina 7 din 94
Se definete prin raportul: fp
r
unde : (r (kmol/ciclu)numrul de kmoli de gaze reziduale
(fp (kmol/ciclu)numrul de kmoli de fluid proaspt pe ciclu
Valorile coeficientului gazelor reziduale reste cuprins ntre valoarea de 0,04 i 0,10 .
- Creterea de temperatur a fluidului proaspt, T
Fluidul proaspt se nclzete n contact cu pereii sistemului de admisie i al
cilindrului . Creterea de temperatur depinde de viteza fluidului proaspt, de durata admisiei,
de temperatura pereilor i de temperatura fluidului proaspt.
La m.a.s. T este cuprins ntre 0oi 20o C.
- Presiunea din cilindru la sfritul cursei de admisie, pa
aoappp
n care : (pa (bari)cdere de presiune
52
2 102
o
a
aa
wp
n care : ( - coeficientul de reducere a vitezei n seciunea minim a sistemului de
admisie (diametrul minim al seciunii de trecere al supapei).
(acoeficientul de rezisten gazodinamic a sistemului de admisie
raportat la seciunea minim a sistemului de admisie.
wa (m/s)viteza fluidului proaspt prin seciunea minim a pistonului.
Pentru motoarele de automobil, la regim nominal :
2 + a = 2,54
wa= 50130 m/s
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
8/94
Pagina 8 din 94
Valorile lui pai pa pentru m.a.s.-uri n patru timpi sunt :
(pa=(0.050.20)po pa=(0.800.95)po
Valorile se aleg n funcie de turaie, pascznd odat cu creterea turaiei.
- Temperatura la sfritul cursei de admisie, Ta
Se determin din relaia bilanului termic aplicat fluidului proaspt nainte i dup
amestecarea cu gaze arse. Se consider c amestecarea se produce la presiune constant, iar
capacitatea caloric specific a amestecului este egal cu a fluidului proaspt.
r
rro
a1
TTTT
Ta=339 [k]
unde : ( = cpr/cpfp
cprcapacitatea caloric specific la presiune constant a gazelor restante;cpfpcapacitatea caloric specific la presiune constant a fluidului motor.
Orientativ, temperatura la sfritul admisiei la m.a.s. este ntre 320 i 370 K.
- Gradul de umplere, v
Gradul de umplere se definete prin raportul dintre cantitatea (masic, gravific,
molar, volumic) de fluid proaspt reinut n cilindru la sfritul admisiei i cantitateaposibil de a fi introdus n cilindreea Vs, n condiiile de temperatur de la intrarea n motor.
rpua
o
o
a
v1
1
1T
T
p
p
=0.77
unde : - pa , po , To , Ta , , r , au semnificaiile explicate anterior.
- (pu - este gradul depostumplere, reprezentnd raportul dintre numrul de
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
9/94
Pagina 9 din 94
kmoli de fluid proaspt care ptrunde n cilindru dup p.m.e. i numrul
total de kmoli de fluid proaspt reinut n cilindru.
Pentru motoarele n patru timpi : pu= 0.080.025
Gradul de umplere depinde de turaia i performana umplerii. Orientativ, valorile luivpentru motoarele de automobile la sarcin plin sunt cuprinse ntre 0,700,90.
I.4. CALCULUL COMPRIMRII
Calculul procesului de comprimare are ca scop determinarea strii fluidului motordin
cilindru, n momentul declanrii scnteii sau injeciei, n punctul c.
- Presiunea i temperatura fluidului de lucru la sfritul comprimrii
Acestea se calculeaz aproximnd comprimarea cu o evoluie politropic cu exponent
politropic constant mc .
a
ca1m
ac
m
ac
p
pTTT
pp
c
c
- Valorile exponentului politropic, mc
Aceste valori depind de schimbul de cldur dintre fluidul motor i pereii cilindrului.Odat cu creterea turaiei, mcare o cretere important. Motorul rcit cu lichid are un
regim termic mai redus dect unul rcit cu aer, deci pentru mc se aleg valori mai mici.
Valorile lui mcpentru un m.a.s. sunt cuprinse ntre 1.32 i 1.38.
Dac lipsesc date statistice despre valoarea lui mc , se pot nlocui cu valorile
exponentului adiabatic mediu xc , calculat pentru ntreg procesul de comprimare, din
egalitatea dintre lucrul mecanic de comprimare a procesului adiabatic cu exponent adiabatic
valabil i lucrul mecanic al comprimrii cu exponent adiabatic constant (adiabata aparent).Expresia lui xc se deduce din :
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
10/94
Pagina 10 din 94
lg
T
Tlg1x
a
cc
Valorile lui xc se determin din monograma nr.1 . Se apreciaz c valorile lui mc
pentru m.a.s. snt cuprinse ntre (xc0.200) i (xc 0.04).
Orientativ valorile presiunii pci temperaturii Tcla sfritul procesului de comprimare
sunt pentru m.a.s. cuprinse ntre :
Pc = 920 bari Tc = 540800 K
I.5. CALCULUL ARDERII
- Consideraii generale
Calculul arderii urmrete precizarea legii de variaie a presiunii p() n perioada
degajrii cldurii de reacie, n vederea :
determinrii presiunii maxime din cilindru, care definete solicitarea mecanic a
organelor mecanismului motor;
precizrii temperaturii fluidului motor, care definete ncrcarea termic a organelor
n contact cu gazele fierbini;
determinarea ariei diagramei indicate care definete lucrul mecanic specific sau
presiunea medie.
- Ipoteze fundamentale de calcul
capacitile calorice specifice depind numai de temperatura;
arderea se desfoar dup evoluii simple: izobare, izocore, izoterme. Se consider c
arderea se desfoar izocor pentru m.a.s. i mixt (izocor i izobar) pentru m.a.c.;
compoziia fluidului motor la sfritul arderii depinde de coeficientul de exces de aer
. Pentru 1 produsele de ardere sunt: CO2, H2O, O2i N2 .
Pentru 1 produsele de ardere sunt: CO2, CO, H2O, H2i N2.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
11/94
Pagina 11 din 94
gazele reziduale au compoziia gazelor de la sfritul arderii;
cldura dezvoltat prin ardere este egal cu cldura de reacie chimic la presiunea i
temperatura mediului nconjurtor, degajat pn la formarea produselor de ardere, neglijnd
variaia cldurii cu temperatura;
variaia energiei interne a fluidului motor i efectuarea lucrului mecanic exterior n
timpul arderii sunt efectul cldurii degajat prin ardere pn n punctul z, i pierderile de
cldur aferent.
- Cantitatea teoretic de aer, Lo(kmoli sau kg) necesar pentru a arde complet
1 kg de combustibil
Compoziia chimic a combustibilului este determinat de analiza n pri sau
procente de greutate. Combustibilii lichizi au urmtoarea compoziie elementar : C + H + S
+ O + = 1kg.
n care : C, H, S, O, sunt participaiile masice de carbon, hidrogen, sulf, etc.
Compoziia elementar a unor combustibili utilizai n motoare este dat n tabelul de mai jos :
Unde : MT = masa molecular (kg/kmol)
HI = puterea caloric inferioar a combustibilului (kcal/kg)
Lo = cantitatea de aer teoretic necesar arderii = cantitatea minim de aer necesar
arderii complete.
32
SO
4
H
12
C
21.0
1
Lo (kmol aer/kg comb.)
-Numrul de kilomoli de amestec proaspt ce particip la reacie
T
o1M
1LM
(kmoli/kg comb.) pentru m.a.s.
-Numrul de kilomoli de produse rezultate din ardere, M2
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
12/94
Pagina 12 din 94
Cazul arderii complete : 1
2CM 2CO ; 2HM OH2 ; 1L21.0M oO2 ;
oNL79.0M
2
o2
L21.02
H
12
CM
(kmoli/kg comb.)
Cazul arderii incomplete : 1
oCO
L21.0k1
12
12
CM
2
oCOL21.0
k1
12M
oOHL21.0
k1
1k2
2
HM
2
oH
L21.0k1
1k2M
2
oNL79.0M
2
(kmoli/kg comb.)
n care : k = 0.45.0.50
o2L79.0
2
H
12
CM
(kmoli/kg comb.)
- Coeficientul variaiei molare a amestecului proaspt , (o
12oMM
- Coeficientul variaiei molare a amestecului real, (R
r
ro
R1
unde r este coeficientul gazelor reziduale
Valorile lui Rpentru m.a.s. variaz ntre 1,021,12 .
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
13/94
Pagina 13 din 94
- Cldura molar medie la volum constant a amestecului de lucru nainte de ardere.
3C
T
298T
I
V10T6.07.4mC c
o
- Cldura molar medie la volum constant a produselor de ardere.
Pentru 1
z22
z2
2
z2
2
z2
2z
o T
298
N
vN
T
298
O
vO
T
298
OH
vOH
T
298
CO
vCO
2
T
298T
II
v
mCM
mCMmCMmCM
M
1
mC
Pentru 1
zz2
2
z2
2
z2
2
z2
2z
o T
298
CO
vCO
T
298
N
vN
T
298
H
vH
T
298
OH
vOH
T
298
CO
vCO
2
T
298T
II
v
mCMmCM
mCMmCMmCM
M
1mC
Valoarea temperaturii Tzse adopt n intervalul 18003000 K.
Cldurile molare medii la volum constant ale componenilor mai sus menionai, n
intervalul de la To = 298 la Tz , pot fi calculate cu formulele de mai jos :
z
3T
298
CO
v T108.02.9mC
z2
(kcal/kmol k)
z
3T
298
CO
vT105.00.5mC
z (kcal/kmol k)
z
3T
298
OH
vT102.17.5mC
z2
(kcal/kmol k)
z
3T
298
N
vT104.01.5mC
z2
(kcal/kmol k)
z
3T
298
O
v
T104.05.5mCz2
(kcal/kmol k)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
14/94
Pagina 14 din 94
z
3T
298
H
vT105.04.4mC
z2
(kcal/kmol k)
- Cldura molar medie la presiune constant a produselor
de ardere
zz T298
II
V
T
298
II
PmC985.1mC
(kcal/kmol k)
- Coeficientul de utilizare a cldurii pentru perioada arderii, (z
(z este raportul dintre cantitatea de cldur folosit pentru creterea energiei interne a
fluidului i efectuarea de lucru mecanic n perioada de la nceputul arderii i pn la sfritulei (punctul z), i puterea caloric inferioar a combustibilului. Valoarea coeficientului (z
depind de tipul motorului, turaie, condiiile de rcire, arhitectura camerei de ardere, sarcina
motorului. Valorile reduse indic nu numai un transfer intensiv de cldur, dar i o cretere
intens a arderii n destindere.
Valorile lui zpentru m.a.s. se adopt ntre 0,80 i 0,95.
- Calculul puterii calorice superioare a combustibilului
HS = 8100C + 30000H + 2600(S - O) (kcal/kg comb.)
Unde: S = participaia masic de sulf
S = O la combustibilii petrolieri de la noi din ar
- Calculul temperaturii Tzla sfritul arderii
Cazul 1
298TmC1
M
1L
H298TmC
C
T
298
I
V
r
T
o
I
zz
T
298
II
VR
Cz
Cazul 1
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
15/94
Pagina 15 din 94
298TmC
1M
1L
L128560H298TmC
C
T
298
I
V
r
T
o
oI
zz
T
298
II
VR
Cz
- Calculul presiunii la sfritul arderii, pz
czpp
=85.4 (bari)
n care este raportul de cretere a presiunii.
- Alegerea raportului de cretere a presiunii,
Pentru m.a.s. avem raportul : c
z
RT
T
Orientativ, valorile temperaturii i presiunii la sfritul procesului de ardere sunt :
TZ = 24002900 K pZ = 3575 bar
I.6. CALCULUL PROCESULUI DE DESTINDERE
Destinderea este evaluat printr-o evoluie politropic, cu exponent politropic
constant, notat cu md .
Valoarea exponentului politropic md depinde de cantitatea de combustibil care arde n
destindere (creterea sa determin scderea lui mdi a coeficientului de
utilizare a cldurii), de schimbul de cldur cu pereii i de pierderile prin
neetaneiti .
Exponentul politropic mdscade cu creterea turaiei i scderea sarcinii. Valorile spre
limita inferioar se obine pentru motoare de dimensiuni mari, la reducerea sarcinii cilindrului
i la viteze de ardere mici.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
16/94
Pagina 16 din 94
Valorile lui mdpentru m.a.s. se adopt intre 1,23 i 1,30.
Relaiile de calcul pentru presiunea i temperatura la sfritul cursei de destindere sunt
:
dm
z
d
pp
(bari)1m
z
dd
TT
(grd.k)
- Verificarea temperaturii Tr a gazelor reziduale
Cunoscnd presiunea i temperatura gazelor la sfritul cursei de destindere, pdi Td ,se poate verifica temperatura gazelor Tradmise. Se admite c destinderea de la presiunea pd
la presiunea preste o evoluie politropic cu exponentul constant 1,5 . Se obine :
3
r
d
d
r
p
p
TT
(grd.k)
Se calculeaz
100T
TTT
rc
rarc
(%)
Unde Trc = temperatura gazelor reziduale, calculat (k)
Tra = temperatura gazelor reziduale, adoptat (k)
Orientativ, pentru m.a.s. valorile presiunii i temperaturii gazelor la sfritul
destinderii sunt :
Pd = 3.56 (bar)Td = 12001700 (k)
I.7. PARAMETRII INDICAI AI MOTORULUI
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
17/94
Pagina 17 din 94
Presiunea medie indicat a ciclului teoretic:
1n1
1n
2
c'
i1
11
1n
111
1n1
1
pp
=13.5 [MPa]
Presiunea medie indicat a ciclului real : pi = 0.95pi =13.02[MPa]
Randamentul indicat al motorului :100H
Lp
vu
oi
=0.45 [%]
Consumul indicat de combustibil : ioi H
3600000g
=207.1 [g/Kw h]
Viteza medie a pistonului : 30000
nSW
a
[m/s]
Presiunea medie echivalent a pierderilor mecanice : pM = 0.089+0.0118Wa [MPa]
Presiunea medie efectiv a gazelor : pe = pi - pM =9.71 [MPa]
Randamentul efectiv al motorului : e = iM =0.33[%]
Randamentul mecanic : i
e
Mp
p
[%]
I.8. PARAMETRII EFECTIVI AI MOTORULUI
Consumul specific efectiv de combustibil : eue H
3600000g
[g/kw h]
Cilindreea total : 6
2
ut 104
SDVV
[litri]
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
18/94
Pagina 18 din 94
Puterea unitar efectiv : 120
nVpN te
eu
[kw]
Puterea unitar indicat : 120
nVpN ui
iu
[kw]
Momentul efectiv : n
N30000M e
e
[Nm]
Momentul indicat : n
N30000M i
i
[Nm]
Consumul orar de combustibil : 1000
gNG ee
t
[kg/h]
Puterea litric a motorului : t
e
lV
NP
[kw/dm3]
I.9. CARACTERISTICA EXTERN A MOTORULUI
Se reprezint grafic variaia urmtorilor parametrii : putere efectiv, moment efectiv,
consum specific de combustibil, consum orar de combustibil, funcie de turaia n a motorului.
Se noteaz cu nx(rot/min) turaia motorului, turaie ce are o plaj de variaie cuprins
ntre turaia de cuplu maxim N1i o valoare mai mare dect cea nominal, acceptat drept
turaie maxim i notat cu N2 .
Intervalul dintre dou valori ale lui nx va fi de 100 (rot/min), pentru a avea o precizie
bun. Se vor aplica urmtoarele relaii:
2
xxx
eexn
n
n
n1
n
nNN
(kw)
x
ex4
exn
P103M
(Nm)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
19/94
Pagina 19 din 94
2
xx
eexn
n
n
n2.12.1gg
(g/kw h)
3
exexfx 10NgG (kg/h)unde : n (rot/min) = turaia nominal a motorului
Nex (kw) = puterea efectiv a motorului pentru diferite turaii nx
Mex (Nm) = momentul efectiv al motorului la diferite turaii nx
gex (g/kw h) = consumul specific de combustibil al motorului
Gtx (kg/h) = consumul orar de combustibil al motorului la diferite turaii
Turaia nxvariaz ntre limitele de turaie N1i N2, cu un pas de 100 rot/min.N1 = 2000 rot/min
N2 = n + 200 rot/min
nx (rot/min) Pex (kw) Mex (Nm) gex (g/kw h) Gtx (kg/h)
2000 80.654 157.538 67.708 54.6092100 85.069 158.250 67.404 57.340
2200 89.484 158.896 67.130 60.070
2300 93.893 159.476 66.886 62.801
2400 98.290 159.989 66.671 65.531
2500 102.672 160.437 66.485 68.262
2600 107.032 160.817 66.328 70.992
2700 111.367 161.132 66.198 73.7232800 115.669 161.381 66.096 76.453
2900 119.936 161.563 66.022 79.184
3000 124.160 161.679 65.975 81.914
3100 128.338 161.728 65.954 84.645
3200 132.465 161.712 65.961 87.375
3300 136.534 161.629 65.995 90.106
3400 140.542 161.480 66.056 92.836
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
20/94
Pagina 20 din 94
3500 144.483 161.265 66.144 95.566
3600 148.351 160.983 66.260 98.297
3700 152.143 160.635 66.403 101.027
3800 155.852 160.221 66.575 103.7583900 159.474 159.741 66.775 106.488
4000 163.003 159.194 67.004 109.219
4100 166.435 158.582 67.263 111.949
4200 169.765 157.903 67.552 114.680
4300 172.986 157.157 67.873 117.410
4400 176.095 156.346 68.225 120.141
nx (rot/min) Pex (kw) Mex (Nm) gex (g/kw h) Gtx (kg/h)
4500 179.086 155.468 68.610 122.871
4600 181.955 154.524 69.029 125.602
4700 184.695 153.514 69.483 128.332
4800 187.302 152.437 69.974 131.063
4900 189.770 151.295 70.503 133.793
5000 192.096 150.086 71.070 136.524
5100 194.273 148.811 71.679 139.254
5200 196.297 147.469 72.332 141.984
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
21/94
Pagina 21 din 94
CARACTERISTICA EXTERN A MOTORULUI
I.10. TRASAREA DIAGRAMEI INDICATE
Diagrama indicat a motorului cu ardere intern se construiete pe baza calculului
proceselor de lucru. Se traseaz mai nti diagrama nerotunjit, apoi se rotunjete n raport cu
cotele de reglaj ce se adopt. Trasarea se face n coordonate p-V.
Trasarea liniilor de evacuare i de admisie se face prin cte o izobar de valoare p = pr
i p = pa .
2000 2500 3000 3500 4000 4500 500040
60
80
100
120
140
160
180
200
220
240
Pex nx
Mex nx
gex nx
Gtx nx
nx
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
22/94
Pagina 22 din 94
n ceea ceprivete politropelor de destindere i comprimare, deoarece n abscis apare
i cursa pistonului, se traseaz variaia presiunilor n funcie de cursa pistonului.
Pentru politropa de comprimare:
c
c
m
1
m
acxsx
k
sx
sSpp
(bari),
Pentru politropa de destindere:
d
d
m
2
m
zdx sx
k
sx
s
pp
(bari).
unde: pcxpresiunea corespunztoare deplasrii x a pistonului n timpul cursei de
comprimare;
pdxpresiunea corespunztoare deplasrii x a pistonului n timpul cursei de
destindere;
papresiunea la sfritul cursei de ardere;
pzpresiunea teoretic la sfritul procesului de ardere;
xcursa pistonului, msurat din P.M.I.;
2
''2
'
cos442
cos1Ssin
42
cos1Sx
- unghiul de rotaie al arborelui cotit, considerat zero la nceputul cicluluimotor;
raportul dintre lungimea bielei i lungimea braului arborelui cotit;
= 0,250,30
snlimea cilindrului de diametru D (alezajul) i acelai volum cu care
camera de ardere;
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
23/94
Pagina 23 din 94
1
Ss
n timpul unui ciclu de funcionare, arborele cotit efectueaz dou rotaii complete,deci variaz ntre 0 i 720o. Legtura dintre variaia unghiului de rotire a arborelui motor
i procesele de lucru este dat explicit n urmtorul tabel:
PROCESUL DE LUCRU LEGEA DE VARIAIE A
PRESIUNII
0o180o Admisia P = pa
180o360o Comprimarea P = pcx
360o540o Arderea i destinderea P = pdx
540o720o Evacuarea P = pr
Pentru trasarea diagramei indicate nerotunjite, se calculeaz mrimile constante: s; k1
= pa(S+s)mc ; k2 = pz s
md .
Arderea se reprezint, n cazul ciclului necorectat, la m.a.s., prin izocora cz; presiunea
pz determinat este mai mare dect cea real, astfel c se ia pmax = (0,850,98)pz .
Pentru a putea trece la rotunjirea diagramei indicate trebuiesc adoptate cotele de reglaj
ale motorului:
DSE ISE DSA ISA
M.A.S. 50 10 10 58
Dup adoptarea cotelor de reglaj se adopt poziiile pistonului corespunztoare
acestor cote:
Xo = 10nainte de P.M.I. pentru nceputul admisiei;
X1 = 58dup P.M.E. pentru sfritul admisiei;
X2 = 38nainte de P.M.I. pentru nceputul aprinderii;
X3 = 50nainte de P.M.E. pentru nceputul evacurii;
X4 = 10dup P.M.I. pentru sfritul evacurii.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
24/94
Pagina 24 din 94
C A P I T O L U L II
CALCULUL CINEMATIC AL MOTORULUI
Studiul cinematic al mecanismului biel-manivel const n stabilirea ecuaiilor
deplasrii, vitezei i acceleraiei arborelui cotit, bielei i pistonului. Aceste ecuaii se
determin n mod obinuit n ipoteza vitezei unghiulare a arborelui cotit, constant ( = ct.),
obinndu-se rezultate suficient de precise pentru studiul dinamic al motorului, dei, datorit
funcionrii ciclice a motoarelor viteza unghiular a arborelui cotit este variabil.
II.1. Cinematica arborelui cotit
La toate mecanismele motoare, arborele cotit execut o micare de rotaie considerat
cu viteza unghiular constant, = d/dt.
Exprimnd micarea arborelui cotit n funcie de turaia n (rot/min), rezult: ( =
2(n/60.
1- chiulas fix2- bloc motor3- piston4- segmeni5-bol6-biel7- manivel8- lagr arbore cotit
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
25/94
Pagina 25 din 94
Deplasarea unghiular a arborelui cotit se obine prin integrarea relaiei =d/dt.
Toate punctele manivelei sunt supuse unei acceleraii centripete, sau pentru cazul particular al
manetonului este : aM = r2 .
II.2. Cinematica mecanismului biel-manivel axat
Calculul deplasrii pistonului
Pistonul se deplaseaz ntre dou punctele moarte P.M.I. i P.M.E. Din fig.2 rezult s
= deplasarea pistonului.
S = OP = OO OP ; OO = r + l
OP = OM cos + MP cos
cos1lcos1rcoslcosrlrs
s = S1 + S2 , unde
cos1lS
cos1rS
2
1
Pentru exprimarea unghiului , n OMM
i PMM
.
Cunoscnd cursa pistonului S iinnd cont de faptul c S = 2r (unde reste raza manivelei), se pot determina oserie de elemente:
- lungimea bielei ; lAvnd raportul constructiv : =
r/l => l = r/.- nlimea pistonului :h = 0.85*S0.1*(0.85*S).- S este cursa pistonului- nlimea cilindrului :H = S + h
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
26/94
Pagina 26 din 94
sinlsinrMM' ; sinsin
l
rsin
2
sin212cos ; 2
2cos1sin
2
Conform dezvoltrii binomului lui Newton avem:
2cos14
r2cos1
4lcos1lS
2cos14
cos
2cos14
12cos122
12cos1
21
2
2
2
222
12
Deci, deplasarea pistonului , s = S1 + S2
2cos14
rcos1rs
Se va calcula deplasarea pistonului pentru un ciclu, deci o rotaie complet a
manivelei oo
360...0 . Calculul se va efectua din 5 n 5 grade.
(oRAC) S1 (mm) S2 (mm) S = S1+S2(mm)
0.000 0.000 0.000 0.000
5.000 0.177 0.057 0.23410.000 0.706 0.226 0.932
15.000 1.584 0.502 2.086
20.000 2.804 0.876 3.680
25.000 4.357 1.337 5.694
30.000 6.230 1.872 8.101
35.000 8.409 2.463 10.872
40.000 10.879 3.093 13.972
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
27/94
Pagina 27 din 94
45.000 13.620 3.743 17.363
50.000 16.610 4.393 21.004
55.000 19.829 5.024 24.852
60.000 23.250 5.615 28.86565.000 26.848 6.149 32.998
70.000 30.596 6.611 37.207
75.000 34.465 6.985 41.450
80.000 38.425 7.261 45.686
85.000 42.447 7.430 49.877
90.000 46.500 7.487 53.986
95.000 50.553 7.430 57.982100.000 54.575 7.261 61.835
105.000 58.535 6.985 65.520
110.000 62.404 6.611 69.015
115.000 66.152 6.149 72.301
120.000 69.750 5.615 75.365
125.000 73.171 5.024 78.195
130.000 76.390 4.393 80.783135.000 79.380 3.743 83.124
140.000 82.121 3.093 85.214
145.000 84.591 2.463 87.054
150.000 86.770 1.872 88.642
155.000 88.643 1.337 89.980
160.000 90.196 0.876 91.071
165.000 91.416 0.502 91.917170.000 92.294 0.226 92.519
175.000 92.823 0.057 92.880
180.000 93.000 0.000 93.000
185.000 92.823 0.057 92.880
190.000 92.294 0.226 92.519
195.000 91.416 0.502 91.917
200.000 90.196 0.876 91.071
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
28/94
Pagina 28 din 94
205.000 88.643 1.337 89.980
210.000 86.770 1.872 88.642
215.000 84.591 2.463 87.054
220.000 82.121 3.093 85.214225.000 79.380 3.743 83.124
230.000 76.390 4.393 80.783
235.000 73.171 5.024 78.195
240.000 69.750 5.615 75.365
245.000 66.152 6.149 72.301
250.000 62.404 6.611 69.015
255.000 58.535 6.985 65.520260.000 54.575 7.261 61.835
265.000 50.553 7.430 57.982
270.000 46.500 7.487 53.987
275.000 42.447 7.430 49.877
280.000 38.425 7.261 45.686
285.000 34.465 6.985 41.450
290.000 30.596 6.611 37.207295.000 26.848 6.149 32.998
300.000 23.250 5.615 28.865
305.000 19.829 5.024 24.852
310.000 16.610 4.393 21.004
315.000 13.620 3.743 17.363
320.000 10.879 3.093 13.972
325.000 8.409 2.463 10.872330.000 6.230 1.872 8.101
335.000 4.357 1.337 5.694
340.000 2.804 0.876 3.680
345.000 1.584 0.502 2.086
350.000 0.706 0.226 0.932
355.000 0.177 0.057 0.234
360.000 0.000 0.000 0.000
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
29/94
Pagina 29 din 94
DIAGRAMA DEPLASRII PISTONULUI
93
0
S 1 ( )
S 2 ( )
S ( )
3600
0 50 100 150 200 250 300 3500
20
40
60
80
100
Calculul vitezei pistonului
Viteza pistonului se obine derivnd expresia deplasrii pistonului:
sd
dSV
;
dt
d2sin2
4
r
dt
dsinrs
2cos14
r
cos1rs
dt
d
21VV2sin
2
rsinrV
Se calculeaz viteza pistonului pentru o rotaie complet a manivelei,
oo 360...0 , cu un pas = 5o.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
30/94
Pagina 30 din 94
(oRAC) V1 (m/s) V2 (m/s) V = V1+V2 (m/s)
0.000 0.000 0.000 0.000
5.000 2.546 0.817 3.363
10.000 5.073 1.609 6.68215.000 7.562 2.352 9.914
20.000 9.993 3.024 13.016
25.000 12.348 3.603 15.951
30.000 14.608 4.074 18.682
35.000 16.758 4.420 21.178
40.000 18.780 4.632 23.413
45.000 20.659 4.704 25.36350.000 22.381 4.632 27.014
55.000 23.933 4.420 28.353
60.000 25.303 4.074 29.376
65.000 26.479 3.603 30.083
70.000 27.455 3.024 30.478
75.000 28.221 2.352 30.573
80.000 28.773 1.609 30.38285.000 29.106 0.817 29.922
90.000 29.217 0.000 29.217
95.000 29.106 -0.817 28.289
100.000 28.773 -1.609 27.164
105.000 28.221 -2.352 25.869
(oRAC) V1 (m/s) V2 (m/s) V = V1+V2 (m/s)
110.000 27.455 -3.024 24.431115.000 26.479 -3.603 22.876
120.000 25.303 -4.074 21.229
125.000 23.933 -4.420 19.513
130.000 22.381 -4.632 17.749
135.000 20.659 -4.704 15.955
140.000 18.780 -4.632 14.148
145.000 16.758 -4.420 12.338
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
31/94
Pagina 31 din 94
150.000 14.608 -4.074 10.535
155.000 12.348 -3.603 8.744
160.000 9.993 -3.024 6.969
165.000 7.562 -2.352 5.210170.000 5.073 -1.609 3.465
175.000 2.546 -0.817 1.730
180.000 3.578e-15 -1.152e-15 2.426e-15
185.000 -2.546 0.817 -1.730
190.000 -5.073 1.609 -3.465
195.000 -7.562 2.352 -5.210
200.000 -9.993 3.024 -6.969205.000 -12.348 3.603 -8.744
210.000 -14.608 4.074 -10.535
215.000 -16.758 4.420 -12.338
220.000 -18.780 4.632 -14.148
225.000 -20.659 4.704 -15.955
230.000 -22.381 4.632 -17.749
235.000 -23.933 4.420 -19.513240.000 -25.303 4.074 -21.229
245.000 -26.479 3.603 -22.876
250.000 -27.455 3.024 -24.431
255.000 -28.221 2.352 -25.869
260.000 -28.773 1.609 -27.164
265.000 -29.106 0.817 -28.289
270.000 -29.217 1.728e-15 -29.217275.000 -29.106 -0.817 -29.922
280.000 -28.773 -1.609 -30.382
285.000 -28.221 -2.352 -30.573
290.000 -27.455 -3.024 -30.478
295.000 -26.479 -3.603 -30.083
300.000 -25.303 -4.074 -29.376
305.000 -23.933 -4.420 -28.353
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
32/94
Pagina 32 din 94
(oRAC) V1 (m/s) V2 (m/s) V = V1+V2 (m/s)
310.000 -22.381 -4.632 -27.014
315.000 -20.659 -4.704 -25.363
320.000 -18.780 -4.632 -23.413325.000 -16.758 -4.420 -21.178
330.000 -14.608 -4.074 -18.682
335.000 -12.348 -3.603 -15.951
340.000 -9.993 -3.024 -13.016
345.000 -7.562 -2.352 -9.914
350.000 -5.073 -1.609 -6.682
355.000 -2.546 -0.817 -3.363360.000 -7.156e-15 -2.304e-15 -9.460e-15
0.000 0.000 0.000 0.000
DIAGRAMA VITEZEI PISTONULUI
35
35
V 1 ( )
V 2 ( )
V ( )
3600
0 50 100 150 200 250 300 350
30
20
10
10
20
30
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
33/94
Pagina 33 din 94
Calculul acceleraiei pistonului
2cosrcosrAdt
d2cos2
2
r
dt
dcosrsVA
22
Se calculeaz acceleraia pistonului pentru o rotaie complet a manivelei,
oo 360...0 , cu un pas = 5o. (oRAC) A1 (m/s ) A2 (m/s ) A = A1+A2 (m/s )
0.000 1.753e5 5.645e4 2.317e5
5.000 1.746e5 5.559e4 2.302e510.000 1.726e5 5.304e4 2.257e5
15.000 1.693e5 4.888e4 2.182e5
20.000 1.647e5 4.324e4 2.080e5
25.000 1.589e5 3.628e4 1.952e5
30.000 1.518e5 2.822e4 1.800e5
35.000 1.436e5 1.931e4 1.629e5
40.000 1.343e5 9.802e3 1.441e545.000 1.240e5 3.456e-12 1.240e5
50.000 1.127e5 -9.802e3 1.029e5
55.000 1.005e5 -1.931e4 8.124e4
60.000 8.765e4 -2.822e4 5.943e4
65.000 7.409e4 -3.628e4 3.780e4
70.000 5.996e4 -4.324e4 1.672e4
75.000 4.537e4 -4.888e4 -3.513e380.000 3.044e4 -5.304e4 -2.260e4
85.000 1.528e4 -5.559e4 -4.031e4
90.000 1.073e-11 -5.645e4 -5.645e4
95.000 -1.528e4 -5.559e4 -7.087e4
100.000 -3.044e4 -5.304e4 -8.348e4
105.000 -4.537e4 -4.888e4 -9.426e4
110.000 -5.996e4 -4.324e4 -1.032e5
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
34/94
Pagina 34 din 94
115.000 -7.409e4 -3.628e4 -1.104e5
120.000 -8.765e4 -2.822e4 -1.159e5
125.000 -1.005e5 -1.931e4 -1.199e5
130.000 -1.127e5 -9.802e3 -1.225e5135.000 -1.240e5 -1.037e-11 -1.240e5
140.000 -1.343e5 9.802e3 -1.245e5
145.000 -1.436e5 1.931e4 -1.243e5
150.000 -1.518e5 2.822e4 -1.236e5
155.000 -1.589e5 3.628e4 -1.226e5
160.000 -1.647e5 4.324e4 -1.215e5
165.000 -1.693e5 4.888e4 -1.204e5170.000 -1.726e5 5.304e4 -1.196e5
175.000 -1.746e5 5.559e4 -1.190e5
180.000 -1.753e5 5.645e4 -1.189e5
185.000 -1.746e5 5.559e4 -1.190e5
190.000 -1.726e5 5.304e4 -1.196e5
195.000 -1.693e5 4.888e4 -1.204e5
200.000 -1.647e5 4.324e4 -1.215e5205.000 -1.589e5 3.628e4 -1.226e5
210.000 -1.518e5 2.822e4 -1.236e5
215.000 -1.436e5 1.931e4 -1.243e5
220.000 -1.343e5 9.802e3 -1.245e5
225.000 -1.240e5 1.728e-11 -1.240e5
230.000 -1.127e5 -9.802e3 -1.225e5
235.000 -1.005e5 -1.931e4 -1.199e5240.000 -8.765e4 -2.822e4 -1.159e5
245.000 -7.409e4 -3.628e4 -1.104e5
250.000 -5.996e4 -4.324e4 -1.032e5
255.000 -4.537e4 -4.888e4 -9.426e4
260.000 -3.044e4 -5.304e4 -8.348e4
265.000 -1.528e4 -5.559e4 -7.087e4
270.000 -3.220e-11 -5.645e4 -5.645e4
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
35/94
Pagina 35 din 94
275.000 1.528e4 -5.559e4 -4.031e4
280.000 3.044e4 -5.304e4 -2.260e4
285.000 4.537e4 -4.888e4 -3.513e3
290.000 5.996e4 -4.324e4 1.672e4295.000 7.409e4 -3.628e4 3.780e4
300.000 8.765e4 -2.822e4 5.943e4
305.000 1.005e5 -1.931e4 8.124e4
310.000 1.127e5 -9.802e3 1.029e5
315.000 1.240e5 -2.419e-11 1.240e5
320.000 1.343e5 9.802e3 1.441e5
325.000 1.436e5 1.931e4 1.629e5330.000 1.518e5 2.822e4 1.800e5
335.000 1.589e5 3.628e4 1.952e5
340.000 1.647e5 4.324e4 2.080e5
345.000 1.693e5 4.888e4 2.182e5
350.000 1.726e5 5.304e4 2.257e5
355.000 1.746e5 5.559e4 2.302e5
360.000 1.753e5 5.645e4 2.317e5DIAGRAMA ACCELERAIEI PISTONULUI
2.317 105
1.753 10
5
A 1 ( )
A 2 ( )
A ( )
3600
0 50 100 150 200 250 300 350
2 105
1.5 105
1 105
5 104
5 104
1 105
1.5 105
2 105
2.5 105
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
36/94
Pagina 36 din 94
C A P I T O L U L III
CONSTRUCIA I CALCULUL PISTONULUI
III.1. Consideraii generale
Pistoanele motoarelor cu ardere intern ndeplinesc urmtoarele roluri:
asigur, cu ajutorul segmenilor, nchiderea etan a camerei din cilindru n care se
produc schimbrile de stare ale gazelor;
primesc apsarea gazelor din cilindru i o transmit arborelui cotit prin intermediul
mecanismului motor;
asigur n cazul cnd nu sunt rcite direct, scurgerea spre cilindru a cldurii primite de
la gazele arse:
Ele sunt deci expuse solicitrilor mecanice provocate de forele din mecanism i unor
importante solicitri datorate dilatrilor inegale.
Proiectarea pistonului cuprinde urmtoarele etape:
desenul pistonului, determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului;
calculul fundului pistonului;
calculul regiunii port-segment;
calculul umerilor pistonului;
calculul strngerii;
calculul profilului pistonului.Pistoanele motoarelor cu autoaprindere cu turaie mare se execut exclusiv din aliaje
de Al, de aceea aleg un aliaj de ATC Si 12 Cu Mg Ni KS 1275, ntruct la aceste motoare,
eliminarea jocurilor mari i a loviturilor ce le nsoesc prezint mai mult importan dect
reducerea seciunilor prin care se scurge cldura, folosind un material cu o conductivitate mai
puinbun din punct de vedere mecanic.
III.2. Dimensiunile prealabile ale pistonului
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
37/94
Pagina 37 din 94
Pistonul se schieaz iniial n raport cu soluiile constructive pe care le alegem, pe
baza datelor statistice existente n literatura de specialitate, n raport cu destinaia motorului.
Dimensiunile caracteristice ale pistonului sunt prezentate n figura urmtoare:
Pistonul se dimensioneaz
pe baza unor date statistice, funcie de destinaia motorului, materialul utilizat i soluiaconstructiv aleas.
Cele mai multe informaii provin de la motoarele uoare, a cror pistoane realizate n
construcie unitar i solicitate aproximativ identic au permis stabilirea unor limite de valori
ale dimensiunilor principale, dup cum urmeaz;
grosimea capului :
= 0.09*D = 7.2
lungimea pistonului:L = 0.9*D = 76
nlimea de compresie:
Hc = 0.7*D = 50
lungimea mantalei:
Lm = 0.65*D = 46
diametrul umrului:
du = 0.4*D = 32 (mm)
distana dintre bosaje:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
38/94
Pagina 38 din 94
B = 0.35*D = 30 (mm)
grosimea R.P.S. :
s = 0.05*D = 4.105 (mm)
grosimea radial a segmentului de compresie:
ac = 0.04*D = 3.281 (mm)
grosimea radial a segmentului de ungere:
au = 0.041*D = 3.289 (mm)
jocul radial ntre segment i fundul canalului pentru segment:
(ac = 0.5 (mm); (au = 0.8 (mm)
diametrul interior al pistonului:
Di = D - 2*(s + ac + (ac) = 68.29 (mm)
nlimea canalului port segment:
H = 2 (mm)
grosimea flancului:
H2 = 3 (mm)
diametrul bolului:
d = 22 (mm)
diametrul interior al bolului:
di = 14 (mm)
lungimea bolului:
l = 71.825 (mm)
masa pistonului (iniial):
mp = 0.290 (kg)
La trasarea profilului unui piston i la fixarea poziiei primului segment, va trebui s
se in seama de seciunile necesare scurgerii cldurii de la fundul pistonului spre cmaa
cilindrului. Se admite c aproximativ 8593 % din cldura primit de fundul pistonuluiurmeaz s se scurg prin masa pistonului la cmaa cilindrului.
III.3. Calculul fundului pistonului
Fundul unui piston este solicitat termic i mecanic. Fora de presiune se transmite prin
umerii mantalei la bol, deformnd pistonul. Aceasta, cumulat cu efectele strii termice a
capului pistonului care pot reduce rezistena mecanic a materialului la anumite aliaje de Alla jumtate, i cu diferenele locale de temperatur care pot produce tensiuni termice i
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
39/94
Pagina 39 din 94
deformaii n piston, duc la concluzia c la calculul fundului unui piston trebuie realizat o
optimizare, astfel nct s rezulte nite coeficieni de siguran csuficieni de mari, pentru a
asigura o funcionare ireproabil.
Eforturile termice unitare sunt generate de repartiia neuniform a temperaturilor ncapul pistonului i de modul n care acesta se dilat liber sau limitat.
Densitatea fluxului de cldur q (w/m) se asigur prin raportul dintre fluxul de cldur
Qpcedat capului pistonului i suprafaa acestuia. Cantitatea de cldur Qpreprezint numai o
fraciune din cldura total dezvoltat prin ardere.
6.3Ri
HgP10
R
Qq
2
ien
6
2
i
p
(W/m2)
unde : Pn = 210 (kW) -puterea nominal;
ge = 0.32 (kg/kW*h)consumul specific de combustibil la regim nominal;
Hi = 43890 (kJ/kg)puterea caloric inferioar a combustibilului;
R (mm)raza cilindrului;
i = 8numrul de cilindrii.
Fraciunea depinde de modul de rcire a pistonului :
( = 0.020.025 -pentru pistoane nercite
( = 0.030.09 -pentru pistoane rcite mediu
( = 0.10.15 -pentru pistoane rcite intens
Pistonul nercit evacuarea cldurii acumulate de capul pistonului se face aproape n
totalitate prin R.P.S., deci prin conducie dinspre centrul capului spre periferia sa. Variaiapistonului neracit este limitat de valoarea puterii specifice Pscare reprezint raportul dintre
puterea nominal i suprafaa tuturor capurilor pistoanelor, la motoarele de traciune rutier.
Valorile limit ale Ps sunt : Ps= 2025 (kW/dm2).
561.24Di
4PP
2
n
s
(kW/dm2) - alegem piston ncastrat nercit.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
40/94
Pagina 40 din 94
Alegem = 0.024 .
n cazul pistonului nercit, diferena ntre temperatura centrului, Tr i temperatura
periferiei este :
1506.174
Rq10TTT
*
2
ir3
pcr
(K)
unde : qr = 1.855*103 (W/m2)densitatea fluxului de cldur pe direcie radial;
Ri = 34.145 (mm)raza periferiei capului pistonului;
(* = 10.74 (mm)grosimea medie a capului pistonului;( = 150 (W/mk)conductivitatea termic a materialului capului pistonului.
Se consider qr = q (W/m2).
III.4. Calculul efortului unitar rezultant
Eforturile rezultante maxime se dezvolt n capul pistonului cnd acesta se afl n
poziia corespunztoare atingerii presiunii maxime a gazelor. Eforturile rezultante minime
apar la nceputul procesului de aspiraie.
n primul rnd se calculeaz eforturile unitare rezultante maxime i minime pentru
fundul pistonului ncastrat, nercit, n punctele periculoase din figur.
,p (mm)grosimea capului pistonului n centrul i respectiv periferia sa;
pz
= 6.5 (MPa)presiunea maxim a gazelor;
pa = 0.09 (MPa)presiunea din timpul admisiei;
po = 0.1 (MPa)presiunea mediului ambiant;
1 = 0.322raportul dintre raza manivelei i lungimea bielei.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
41/94
Pagina 41 din 94
41
2
max10688.21RJ
(m/s2)acceleraia maxim a pistonului
500Ji
(m/s2) ; imaxz
JJJ
4
z 10618.2J (m/s2) - acceleraia pistonului n momentul atingerii presiuniimaxime.
837.0k 5101.2 (MPa)
4109.7E (MPa)3
107.2 (kg/m3)
Radial, n centru, pe fibra exterioar.
MPa839.226
10Jpp8
R13T
1
E75.0
MPa739.136
10Jpp8
R13T
1
E75.0
min1r
6
zxoz2
2
i
rmin1r
max1r
6
maxxoa2
2
i
rmax1r
Radial, n centru, pe fibra interioar.
MPa486.45
10Jpp8
R13
T1
E
25.0
MPa586.135
10Jpp8
R13T
1
E25.0
min2r
6
maxxoa2
2
i
rmin2r
max2r
6
zxoz2
2
i
rmax2r
Radial, la periferie, pe fibra exterioar.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
42/94
Pagina 42 din 94
MPa088.137
10Jpp4
R3T
1
E75.0
MPa605.3
10Jpp4
R3T
1
E75.0
min3r
6
maxxoa2
2i
rmin3r
max3r
6
zxoz2
2
i
rmax3r
Radial, la periferie, pe fibra interioar.
MPa648.87
10Jpp4
R3T
1
E25.0
MPa835.45
10Jpp4
R3
T1
E
25.0
min4r
6
zxoz2
2
i
rmin4r
max4r
6
maxxoa2
2
i
rmax4r
Tangenial, la periferie, pe fibra exterioar.
MPa952.136
10Jpp4
R3T
1
E75.0
MPa234.90
10Jpp4
R3T
1
E75.0
min3t
6
maxxoa2
2
i
rmin3t
max3t
6
zxoz2
2
i
rmax3t
Tangenial, la periferie, pe fibra interioar.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
43/94
Pagina 43 din 94
MPa019.1
10Jpp4
R3T
1
E25.0
MPa699.45
10Jpp4
R3T
1
E25.0
min4r
6
zxoz2
2i
rmin4r
max4r
6
maxxoa2
2
i
rmax4r
Eforturile echivalente:
(t1min = (r1min (t1max = (r1max
(t2min = (r2min (t2max = (r2max
III.5. Calculul la oboseal al capului pistonului
Acest calcul const n determinarea coeficientului de siguran n cele patru puncte
periculoase pentru solicitrile pe direcia radial i tangenial.
Nu se calculeaz un coeficient global de siguran.
c1 = c1r = c1t c3r , c3t i c4r , c4t .
c2 = c2r = c2t
Amplitudinea eforturilor.
2
min1rmax1r
1vr
vr1 = 45.05 (MPa)
2
min2rmax2r
2vr
vr2 = 45.05 (MPa)
2
min3rmax3r
3vr
vr3 = 66.741 (MPa)
2min4rmax4r4vr
vr4 = 66.741 (MPa)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
44/94
Pagina 44 din 94
2
min3tmax3t
3vt
vt3 = 23.359 (MPa)
2
min4tmax4t
4vt
vt4 = 23.359 (MPa)
Efortul mediu
2
min1rmax1r
1mr
mr1 = - 181.789 (MPa)
2
min2rmax2r
2mr
mr2 = 90.536 (MPa)
2
min3rmax3r
3mr
mr3 = - 70.347 (MPa)
2
min4rmax4r
4mr
mr4 = - 20.906 (MPa)
2
min3tmax3t
3mt
mt3 = - 113.593 (MPa)
2
min4tmax4t
4mt
mt4 = 22.34 (MPa)
Coeficientul de asimetrie
max1r
min1r
1ry
yr1 = 1.659 max2r
min2r
2ry
yr2 = 0.335
max3r
min3r
3ry
yr3 = 1.423 max4r
min4r
4ry
yr4 = - 1.912
max3t
min3t
3ty
yt3 = 1.518 max4t
min4t
4ty
yt4 = - 0.022
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
45/94
Pagina 45 din 94
248.0
1mr
1vr
498.0
2mr
2vr
949.0
3mr
3vr
692.0
4mr
4vr
206.03mt
3vt
046.1
4mt
4vt
Se calculeaz raportul :
o
o12
= 0.111 c
1
c
1
1
Z
Z = 1.133
n cazul n care
Z
m
v
rezult cmv
1
vc
n cazul n care
Z
m
v
rezult c
mv
c
vc
unde : 1 = 70 (MPa)rezistena la oboseal la solicitri de ncovoiere, dup ciclul
alternant simetric;
(c = 120 (MPa)rezistena la oboseal la solicitarea de ncovoiere, dup
ciclul pulsant;
(o = 1.8*(1 = 126 (MPa)limita de curgere a materialului capului
pistonului;
( = 1.05coeficient de concentrare a tensiunilor;( = 1coeficient dimensional;
( - coeficient de calitate a suprafeelor;
(1 = 0.95pentru punctele 1 i 3;
(2 = 0.85pentru punctele 2 i 4.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
46/94
Pagina 46 din 94
1mr1vr
1
c
r1c
c1r = 1.649
2mr2vr
2
c
r2c
c2r = 1.734
3mr3vr
1
c
r3c
c3r = 2.401
4mr4vr
2
1
r4c
c4r = 1.778
3mr3vt
1
c
t3c
c3t = 3.216
4mr4vt
2
c
t4c
c4t = 2.947
III.6. Calculul regiunii port-segment
Solicitrile periculoase apar n primul umr de segment i n seciunea transversal
prin capul pistonului, la nivelul canalului pentru segmentul de ungere, unde se evideniatzona slbit din cauza gurilor sau tieturilor
practicate contra pompajului, sau pentru
mpiedicarea conduciei cldurii ctre manta.
verificareaprimului umr de segment
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
47/94
Pagina 47 din 94
Primul umr de segment este solicitat variabil la ncovoiere i forfecare n seciunea
de ncastrare, n ciclul pulsant (y = 0), de ctre fora generat de presiunea maxim a gazelor
pz(MPa). Datorit laminrii, n primul canal de segment se transmite numai o fraciune din
aceast presiune maxim a gazelor, i anume, 0.9*pz .
Eforturile unitare maxime de ncovoiere i forfecare se determin cu relaiile:
2
2cc
2
ccccz
maxuHa2a2D
aaaaDp7.2
umax = 16.872 (MPa)
2cc
ccccz
maxuHa2a2D
aaaaDp9.0
umax = 5.879 (MPa)
Efortul unitar rezultant se calculeaz cu relaia :
2
maxu
2
maxurez4
rez = 20.565 (MPa)
Efortul unitar rezultant rez nu trebuie s depeasc valorile de 30-40 (MPa) la
pistoanele uoare sau 60-80 (MPa) la cele din font sau oel.
Condiie ndeplinit.
Coeficientul de siguran la oboseal pentru ncovoiere se determin cu relaia :
1
max1r
12
C
C = 1.801 (MPa)
verificarea seciunii transversale prin canalul segmentului de ungere
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
48/94
Pagina 48 din 94
n canalul de ungere, seciunea efectiv
Acp care delimiteaz regiunea port-segment de
mantaua pistonului este reprezentat n figura
urmtoare. n zona umerilor bolului, din cauza
rigiditii ridicate impuse, nu vor fi practicate
guri pentru ungere, sau fante pentru ntreruperea
fluxului termic ctre mantaua pistonului.
Aceast seciune este solicitat variabil
dup un ciclu asimetric la care valorile maxime i
minime ale eforturilor unitare de comprimare-
traciune se determin cu relaiile:
sdhhsDD
44
D3
4
LLD
4
LLDV
2
g
2
i
2m
2
im
2
cp
Vcp = 0.062 (dm3)
Mcp = (*Vcp Mcp = 0.168 (kg)
sh4
4
D
4
sDA
2
i
2
i
cp
Acp = 429.209 (mm2)
n care: Mcp (kg)masa capului pistonului, determinat de seciunea prin canalul
segmentului de ungere;
Acp (mm2)aria seciunii ntrerupte de gurile sau de fanta din canal;
(h = 0.5 (mm)diferena dintre nlimea canalului de la segmentul deungere i cea a diametrului gurii din regiunea canalului de umplere;
dg = 2 (mm)diametrul gurii din regiunea canalului de ungere de la
segmentul de ungere.
Efortul unitar maxim de comprimare n seciunea transversal a canalului segmentului
de ungere:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
49/94
Pagina 49 din 94
cp
zcp
2
oz
maxcA
JM4
Dpp
cmax = 44.408 (MPa)
Efortul unitar minim de ntindere n seciunea transversal a canalului segmentului de
ungere:
cp
maxcp
2
oa
mincA
JM4
Dpp
cmin = 12.806 (MPa)
Amplitudinea eforturilor unitare normale n seciunea canalului segmentului de
ungere:
2
cmincmax
v
v = 28.607 (MPa)
Efortul unitar normal mediu n seciunea canalului de ungere:
2
cmincmax
m
m = 15.801 (MPa)
Coeficientul de asimetrie:
cmax
cminy
y = 0.288 o
o1
1
2
1 = 0.111
Coeficientul de siguran la oboseal se calculeaz curelaiile:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
50/94
Pagina 50 din 94
m
v
x
d
dx = 1.81
c
1
1
c
1
z
1
d
dz = 1.133
Deoarece dx > dzvom folosi urmtoarele relaii:
m1v
1
cC
C
= 3.416
III.7. Calculul umerilor pistonului
Umerii pistonului sunt solicitai variabil la ncovoiere dup un ciclu alternant. n cazul
n care se folosesc aliaje uoare, n umeri pot aprea i eforturi unitare de fretaj la rece,
situaie n care pistonul trebuie nclzit naintea montrii bolului.
Presiunea convenional maxim ce se
dezvolt n umeri prin apsarea bolului nu
trebuie s depeasc anumite valori pentru care
uzurile devin inacceptabile.
Calculul lui pumax n (MPa) se face cu
relaia:
B1d4
JM4Dppp zp
2
ozmaxu
(MPa)
pu max = 33.261 (MPa)
Se consider c fora din bol se distribuie uniform pe lungimea umerilor pistonului.
Presiunea uniform liniar distribuit pe bosaj:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
51/94
Pagina 51 din 94
BL4
JM4Dppp
p
2
o
l
(MPa)
unde: p = pa => Jmax
p = pa => Jz
Mp (kg) masa pistonului echipat cu segmeni;
Mp = Mp + Ms (kg)
Momentul n seciunea A-A de ncastrare a grinzii (umrului), calculat la nceputul
admisiei i la nceputul destinderii:
8
BDpM
2
i
eAA
(MPa)
Eforturile sunt urmtoarele:
x = d/dn = 0.651
Eforturilor unitar de ncovoiere maxim n umerii pistonului la nceputul procesului de
destindere:
B1x1d
BDMJ4Dpp
43
n
2
ipz
2
oz
maxi
075.44
maxi
(MPa)
Efortul unitar de ncovoiere minim n umerii pistonului, la sfritul procesului de
aspiraie:
B1x1dBDMJ4Dpp
43
n
2
ipz
2
oa
mini
307.7
mini
(MPa)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
52/94
Pagina 52 din 94
Amplitudinea eforturilor unitare i efortul unitar mediu de ncovoiere n umerii
pistonului:
2minimaxi
v1 v = 25.691 (MPa)
Efortul unitar normal mediu n de ncovoiere n umerii pistonului:
2
minimaxi
m1
m = 18.384 (MPa)
Coeficientul de asimetrie:
maxi
mini
1y
y = - 0.166 o
o1
1
2
1 = 0.111
Coeficientul de siguran la oboseal se calculeaz cu relaiile:
m
v
xd
dx = 1.397
c
1
1
c
1
z
1
d
dz = 1.133
m11v1
2
c
C
C = 2.996
C A P I T O L U L IV
CONSTRUCTIA SI CALCULUL BOLULUI
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
53/94
Pagina 53 din 94
IV.1. Consideraii generale
Bolul este unul din organele cele mai solicitate i mai supuse uzurii. Trebuie s
ndeplineasc condiia de a avea o mas ct mai mic posibil. Bolul suport fore att de
mrime variabil ct i de sens alternativ. Aceste fore supun bolul la ncovoiere alternativ
i la ovalizare. Materialul bolului este supus la oboseal. Date fiind condiiile grele de lucru,
bolul se execut din oel aliat de cementare: 21MoMnCr 12 (STAS 7450-86).
Avnd n vedere c pentru piston am proiectat o gaur pentru bol de d=22(mm),
adopt tratament termic de clire, evitndu-se modificrile dimensionale n timpul funcionrii.
Suprafaa bolului se cementeaz pe ntreaga lungime, pe o adncime de 0.61 (mm).
IV.2. Predimensionarea bolului. Date de proiectare
Adopt soluia constructiv de bol flotant n piciorul bielei i n bosaje, pentru a avea o
uzur a bolului pe toat suprafaa acestuia. Rotindu-se, bolul este solicitat n ciclu alternant
simetric.
Experimental s-au determinat
intervalele de valori pentru dimensiunile
constructive ale bolului.
Cnd bolul este flotant n ambele
mbinri, se prevd inele de siguran din
srm care asigur bolul contra deplasrilor
axiale. Dimensiunile canalelor i inelelor desiguran sunt urmtoarele:
d = 22 (mm); b = 7 (mm); c = 6 (mm); d1 = 24.6 (mm); d2 = 1.5 (mm);
d3 = 23.7 (mm); e = 23.7 (mm); r = 0.8 (mm); g = 21.5 (mm).
IV.3. Schema de ncrcare
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
54/94
Pagina 54 din 94
In figura urmtoare se prezint schema de ncrcare a bolului, innd cont de faptul
c, n timpul funcionrii, bolul este flotant att n biel ct i n bosaje. Se consider bolul
ca o grind simetric rezemat la mijloc pe distana b, pe care sarcina se distribuie uniform.
n bosaje, sarcina se distribuie uniform i liniar.
Observaie: ntruct pe parcursul
funcionrii bolul execut o rotaie complet,
astfel nct un punct de pe suprafaa exterioar
va fi iniial solicitat de o for maxim (cnd
se afl spre camera de ardere), i de aceeai
for cnd se afl n partea de jos, eforturile
fiind n acest caz egale, dar de semne contrare.
Se impune, deci, un calcul la oboseal dup un
ciclu alternant simetric.
Forele care ncarc mbinarea bol-buc bielei sunt:
zpe
2
ozmaxJm
4
DppF
(N) Fmax = 3.436104 (N)
maxpe
2
oaminJm
4
DppF
(N) Fmin = 1.218104 (N)
unde: mpe = 0.62 (kg) masa pistonului echipat cu segmeni;
b
2i
2b
ldd4
m
(kg) mb = 0.168 (kg)
IV.4. Calculul de verificare la uzur
Este necesar calculul a dou presiuni convenionale maxime:
presiunea dintre bol i bosaj:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
55/94
Pagina 55 din 94
32ppaadma
(MPa);
201.47pa2d
Fp
amax
a
(MPa)
presiunea dintre bol i buca bielei:
39ppaadma
(MPa);
058.64pbd
Fp
bbe
maxb
(MPa)
Normal pa < pb .
Va rezulta:
ba
maxminbp
1
p
1
ba2
Fd
dbmin = 20.433 (mm)
IV.5. Calculul de verificare la ncovoiere
Momentul de ncovoiere maxim apare n seciunea A-A i este dat de relaia:
maximaxiWM
;4
4
i
4
d
dd
32W
deci:
43max
4
4i
4
max
maximaxi
1d
4
b
3
a2
2
lF16
d
dd
32
4
b
3
a2
2
l
2
F
W
M
unde
= di/d ;
142.386maxi
(MPa)
Verificarea fcndu-se la oboseal n ciclul alternant simetric, efortul minim de
ncovoiere va fi:
maxmin (MPa)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
56/94
Pagina 56 din 94
Atunci, amplitudinea eforturilor la oboseal la ncovoiere:
maxminmaxv 21 (MPa)
Efortul mediu la oboseal la ncovoiere: m = 0 (MPa).
Coeficientul de rezisten la oboseal la ncovoiere:
v
1c
c= 1.001
unde: - coeficient efectiv de concentrare a tensiunilor la solicitrile variabile;
( - coeficient de calitate al suprafeei (pentru bol cementat cu suprafa
lustruit;
- factor dimensional (oel aliat, fr concentratori)
IV.6. Calculul de verificare la forfecare
Seciunea cea mai solicitat la forfecare este cea situat ntre bosaj i piciorul bielei.
Efortul unitar la forfecare se calculeaz cu formula lui Jurawski:
422
max
1d
1F85.0
(MPa) = 112.736 (MPa)
Valoarea admisibil este: adm= 80120 (MPa), deci verific.
IV.7. Calculul de verificare la ovalizare
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
57/94
Pagina 57 din 94
Presupunem c bolul este o grind curb n seciunea transversal, ncrcat cu o
sarcin sinusoidal. Solicitarea la ovalizare apare n seciune longitudinal. Eforturile unitare
de ncovoiere ntr-o seciune oarecare iau valori diferite pe fibra interioar i pe fibra
exterioar. Acestea sunt date de relaiile de mai jos rezultnd valori mai mici dect efortul
admisibil de ovalizare a=78.21(MPa).
3
20fi4.0155.1
1
1
1
12119.0
dl
F0
(MPa)
o0fi = 78.2161 (MPa)
3
290fi4.0155.1
1
636.0
1
121174.0
dl
F0
(MPa)
o90fi = - 172.6844 (MPa)
3
20fe4.0155.1
1
1
1
12119.0
dl
F0
(MPa)
o0fe = 194.9978 (MPa)
3
290fe4.0155.1
1
636.0
1
121174.0
dl
F0
(MPa)
o90fe = - 267.7057 (MPa)Deformaia diametrului de ovalizare se limiteaz, pentru a preveni griparea bolurilor
n locauri. Deformaia maxim de ovalizare este dat de relaia:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
58/94
Pagina 58 din 94
33
maxmax
4.0155.11
1
lE
F09.0d
(mm); dmax = 2.76310-3
(mm)
02.0dadm
(mm).
C A P I T O L U L V
CONSTRUCIA I CALCULUL SEGMENILOR
V.1. Consideraii generale
Segmenii se definesc ca organe de etanare. Sub aciunea forei elastice, segmentul
este aplicat tot timpul pe cilindru. Sub aciunea forei normale, pistonul basculeaz,
apropiindu-se i deprtndu-se de oglinda cilindrului, rezult c segmentul se deplaseaz
radial n canalul pistonului, eliminnd astfel eventualele particule de cocs, particule preluate
de pelicula de ulei, regsite apoi, prin filtrare n filtru. Ca material pentru primul segment se
recomand a fi oelul. Chiar dac nu posed proprieti satisfctoare de alunecare, se
folosete oelul deoarece fonta nu poate satisface cerinele de rezisten impuse.
Al doilea segment, de etanare, are
urmtoarea form a seciunii ca n figura alturat.
La aceast form, etanarea e bun dup
un timp de rodaj relativ sczut. Etanarea se face
pe o suprafa mic. Rezult un contact bun pe
toat suprafaa. Pe planul superior al segmentului
s gsete inscripionat cuvntul TOP, ce reprezint partea care se monteaz sp re segmentul
de foc (spre camera de ardere). Aceast form geometric genereaz cu uurin pana de ulei
n cursa spre P.M.I., i racleaz uleiul n cursa spre P.M.E.
Materialul pentru segmentul de etanare este fonta martensitic cu grafit lamelar fin
repartizat uniform, cu reea de eutectic fosforos. Acest material satisface bine cerinele unui
material antifriciune.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
59/94
Pagina 59 din 94
Segmentul de ungere se caracterizeaz prin presiune medie elastic ridicat, jocuri
reduse ntre segment i feele laterale ale canalului din piston, prezena unor caviti unde se
adun uleiul rzuit de pe pereii cilindrului. Numrul feelor rzuitoare este dublu, nlimea
segmentului se mrete, nlimea suprafeei
efective de sprijin se micoreaz. Segmentul este cu
ferestre, prevzut cu dou margini cu flancurile
paralele, rezultnd presiuni de apsare mai mari pe
oglinda cilindrului ca n figura alturat.
Acest calcul are obiectivele:
s stabileasc forma segmentului n stare liber, i mrimea rostului as tfel nct, prin
strngere pe cilindru, segmentul s dezvolte o repartiie de presiune determinat.
s stabileasc cele dou dimensiuni de baz ale segmentului: a, h.
s verifice ca eforturile unitare ce apar n segment la deschiderea lui pentru montaj s
nu depeasc limita admisibil.
s verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete n timpul funcionrii.
stabilirea legii de repartiie a presiunilor.
Principala funcie a segmenilor este de etanare. n funcie de motorul de proiectat
alegem o lege de repartiie a presiunii radiale a segmentului astfel nct s se realizeze o
etanare ct mai bun.
Legea de repartiie a presiunilor este urmtoarea:
n
2 e
ie
icosp
p1pp
(MPa)
unde: pe = 0.3 (MPa)presiune medie elastic
La segmentul de ungere, presiunea elastic este sensibil mai mare dect la cel de foc,
i se obine prin reducerea suprafeei de contact. Cu ct p e este mai mare, pulsaia
segmentului diminueaz, crete frecvena oscilaiilor proprii i se intensific transferul de
cldur dintre segment i cilindru. Presiunea medie elastic a segmentului de ungere se
determin cu relaia:
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
60/94
Pagina 60 din 94
r
*
eenh
hpp
(MPa) pen = 0.78 (MPa)3
nr
a
I12h
(mm)
unde: hr (mm)nlimea redus a segmentului de ungere.
In =560 (mm4)momentul de inerie a seciunii transversale, n raport cu axa
ce trece prin fibra neutr a solicitrii de ncovoiere generat de
montajul n cilindru (mm4).
h*(mm)nlimea total a marginilor ce vin efectiv n contact cu cilindrul.
Forma segmentului n stare liber.
Segmenii se fabric prin copiere. Pentru aceasta se
d forma segmentului n stare liber, n coordonate polare.
n figura alturat este dat forma segmentului n stareliber (II) i n stare montat (I) n cilindru, indicnd i
mrimile geometrice caracteristice formei libere:
2
a
2
DRr
m
(mm)
unde: r (mm)raza medie a formei n stare montat (circular);
( (mm)raza vectoare a formei libere;( (grd)unghiul razei vectoare.
Astfel, un punct Bode pe segmentul n stare montat (I), aflat la unghiul fa de
capul diametral opus rostului, ajunge n punctul B n stare liber (II) la unghiul i raza .
2a
cosp
p
1i2
11cos
p
p
1i
1sin
2
c11
IE
hpRRR
n
2
n
2 e
i
22
i
e
i
22
e
3
mm
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
61/94
Pagina 61 din 94
n
2
n
2 e
i
22
i
e
i
2
e3m
sinp
p
1i2
11isin
p
p
1ii
1cossin
2
c1
IE
hpRR
unde:
e
in
22
1i
p
p
1i
1c
Imoment de inerie (mm4) .
Coordonate polare ale conturului segmentului n stare liber
(grd)
()
(mm)
()
(grd)
0 42,96884 0
10 42,97471 9,859821
20 42,99197 19,72332
30 43,01959 29,5939540 43,05588 39,47471
50 43,09865 49,36798
60 43,14523 59,27529
70 43,19267 69,19725
80 43,23787 79,13341
(grd)
()(mm)
()(grd)
90 43,27764 89,08224
100 43,30887 99,04115
110 43,32861 109,0066
120 43,33414 118,9741
130 43,32306 128,9387
140 43,29335 138,8951
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
62/94
Pagina 62 din 94
150 43,24349 148,8379
160 43,17258 158,7620
170 43,08066 168,6627
180 42,96884 178,5365V.2. Calculul segmentului la solicitri de montaj
n timpul montajului se caut ca eforturile s fie aceleai cu cele din timpul
funcionrii. Pentru montare, segmentul se aplic pe piston. Raza fibrei medii de mrete.
Seciunea periculoas este tot n zona rostului pe fibra interioar. Condiia de montaj este m
a .
Momentul produs n seciunea de suma tuturor forelor din dreapta seciunii;
n
2
n
2 e
i
2e
i
2
1i
em
icosp
p
1i
1cos
p
p
1i
1cos1
phRRM
(Nmm)
Fora normal n seciunea ;
a2Dha
M2
a2Dha
aDM6
ha
N2fi
(MPa)
Eforturile maxime apar n seciunea diametral opus rostului, la montarea
segmentului;
m
1a
D
E2
IaE
phRR1
2
e3m
fimaxfemax
(MPa)
unde: m = 1cnd se aplic fore tangeniale pentru deschiderea rostului;
m = 0.5cnd se folosete cletele de montaj special. Adopt m = 0.5:
Rostul la cald n stare montat;
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
63/94
Pagina 63 din 94
ssncccT1SDT1DS
(mm)
unde: Sc = 0.144 (mm)valoarea rostului impus pentru condiiile funcionrii la
cald;
c , scoeficienii de dilatare termic liniar a cilindrului, respectiv segmentul
(K-1);
Tc, Tsdiferenele de temperatura la care se nclzete cilindrul, respectiv
segmentul;
Ts = TsTo = 530293 = 273 (k)
Tc = TcTo = 390293 = 97 (k)
Rostul la rece n stare montat;
sc
ccsscr
T1
TTDSS
(mm) Sr = 0.252 (mm)
C A P I T O L U L VI
CONSTRUCIA I CALCULUL BIELEI
VI.1.Generaliti
Biela are rolul de a transmite fora de presiune a gazelor de la piston la arborele cotit,
i de a transforma micarea alternativ de translaie a pistonului n micare de rotaie a
arborelui cotit.
Calculul se va executa pentru piciorul, corpul, capul i uruburile bielei.
Biela este solicitat la compresiune i flambaj de forele generate de presiunea gazelor
din cilindru, i la ntindere-compresiune de fora de inerie a maselor n micare de translaie
alternativ. Materialul pentru biel trebuie s posede o rezisten ridicat la oboseal, o
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
64/94
Pagina 64 din 94
plasticitate corespunztoare datorit ocurilor ce apar n funcionare, i o greutate specific
redus. Astfel, materialul folosit pentru biel este un oel aliat cu marca 34MoCrNi15 ce are
urmtoarele caracteristici:
- limita de curgere la traciune , c=1000 (N/mm2)
- rezistena la rupere prin traciune, r=1300 (N/mm2)
- alungirea la rupere, As=9 %
- tratament termic : clire-revenire
Materialul pentru buc (cuzinetul) din piciorul bielei este CuAl10Fe3.
VI.2. Calculul de verificare al piciorului bielei
Piciorul bielei este supus la urmtoarele solicitri:
- de ntindere, produs de fora rezultant minim din piston(la nceputul admisiei);
- de comprimare, produs de fora rezultant maxim din piston (la nceputul
destinderii);
Eforturile produse de aceste solicitri se sumeaz algebric cu eforturile de fretaj.
Eforturile se calculeaz n ase puncte:
-pe fibra interioar i exterioar, n seciunea = 0;
-analog, pentru seciunea = /2;
-analog, pentru seciunea = - unghiul de racordare.
Apar astfel n cele ase puncte eforturi maxime i minime rezultante, pe baza crora
se determin coeficienii de siguran la oboseal .Iniial se predimensioneaz piciorul bielei
n funcie de intervalele de valori prescrise n documentaie.
- diametrul exterior al bolului: d = 22 (mm);
- diametrul exterior al piciorului: de = 28 (mm);
- grosimea peretelui piciorului: h = 4 (mm);
- grosimea peretelui bucei: hb = 1,5 (mm);
- diametrul interior al piciorului: di = 25.52 (mm);
- masa bolului: mb = 0.092 (kg);
- unghiul de racordare: ( = 1300 = 2,2689 (rad).
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
65/94
Pagina 65 din 94
VI.3. Eforturi unitare de ncovoiere
Fora minim ce solicit piciorul se datoreaz forei de inerie:
88.86134DppJmmFF
2
0amaxbpeimin (N)
Se consider 2
F2
fora concentrat de o parte i de alta a piciorului , simetric fa de
axa bielei, la unghiul = 300 = 0,5235 (rad).
M i N reprezint momentul, respectiv fora normal dintr-o seciune oarecare ( fa
de seciunea
O-O.Pe seciuni, M i N se calculeaz cu relaiile:
89.1313279180
3,310rF10M3
i4
o
02.25985720F10N i4
o
(N)
- pentru = 00: M(0)=M0+r
47,12
FNcos1 i0
(Nm)
58.3790cosN2
F0N 0
i (N)
- pentru = 2
: 24.82
FNcos1rM2
M i00 (Nm)
62.5460cosN2
F
2N 0
i
(N)
- pentru = 1300 : 71.12
2
FNcos1rM130M i00
(Nm)
08.3024cosN2F
130N 0i (N)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
66/94
Pagina 66 din 94
Pentru calculul eforturilor minime vom determina constanta k dat de relaia :
8058,0
hE
hE1
1k
bb
Eforturile unitare minime se vor calcula cu relaiile :
63.58hb
10Nk
hr2h
hr60M2min1
(Nm)
18.71hb
10Nkhr2h
hr60M2min2
(Nm)
05.53
hb
1
2Nk
hr2h
hr6
2M2min3
(Nm)
35.70
hb
1
2Nk
hr2h
hr6
2M2min4
(Nm)
70.82hb
1130Nk
hr2h
hr6130M2min5
(Nm)
45.64hb
1130Nk
hr2h
hr6130M2min6
(Nm)
Eforturile unitare maxime sunt produse de fora de presiune a gazelor, Fp, dat de
relaia :
63.30977Jmm4
DppFF zbpe0maxpmax
(N)
Se consider o distribuie sinusoidal ca n figur, cu p = k sin i k= rF2
, n
aceleai seciuni (1-2, 3-4, 5-6) se calculeaz momentele i forele normale maxime.
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
67/94
Pagina 67 din 94
89.1310DsinB8
CsinA8BA
rFM
p0
02.259DsinB
CsinA8
8
FN
p0
(MPa)
n care:
0192,0cos2
sin12A
502,1sinB
08,02sin3sin212C 2
1222,0sin4
2sin
2D
- pentru =00:
43.716rcos1NM0M 00 (MPa)
N(0)=N0cos( =171.7 (N)
- pentru 2
:
2.1385cossin2
rFcos1NM
2M
p00
(Nm)
38.6536F
cosN2
Np
0
(N)
- pentru =1300 :
5.5903cossin2
rFcos1NM130M
p00
(Nm)
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
68/94
Pagina 68 din 94
01.6426F
cosN130Np
0
(N)
Eforturile unitare maxime se calculeaz cu relaiile, avnd constanta k calculatanterior :
10.136hb
10Nk
hr2h
hr60M2max1
(Nm)
82.35hb
10Nk
hr2h
hr60M2max2
(Nm)
15.64
hb1
2Nk
hr2hhr6
2M2max3
(Nm)
72.76
hb
1
2Nk
hr2h
hr6
2M2max4
(Nm)
35.280hb
1130Nk
hr2h
hr6130M2max5
(Nm)
85.24hb
1130Nkhr2h
hr6130M2max6
(Nm)
VI.4. Eforturile de fretaj
Solicitarea de fretaj este o solicitare de compresiune. Ansamblul picior-buc se
asimileaz cu un sistem de dou tuburi fretate, confecionate respectiv din oel i bronz. ntimpul funcionrii buca se dilat mai mult dect piciorul bielei, producnd o solicitare
suplimentar.
Strngerea la rece care asigur fretarea bucei din biel n picior este:
60 106s
(mm)
Strngerea la cald este dat de relaia: 0184,0dTTs i0pbt
[mm]
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
69/94
Pagina 69 din 94
n care :5
b 108,1 ;
5p 10
(K-1)coeficieni de dilatare liniar ai
materialului bucei , respectiv piciorului.
T = 900; T0 = 290 (K).
Presiunea de fretaj reprezint presiunea specific dat de fretarea bucei i se
calculeaz cu relaia :
75,11
E
dd
dd
E
dd
dd
d
ssp
b
22i
22i
2i
2e
2i
2e
i
t0f
(MPa) ,
unde : = 0,3 - coeficientul lui Poisson.
Eforturile unitare de fretaj n fibra exterioar i interioar , determinate de presiunea
de fretaj :
33.30pdd
d2f2
i2e
2i
fext
(MPa)
08.42pdd
dd
f2i
2e
2i
2e
fext
(MPa)
VI.5. Calculul coeficienilor de siguran
Pentru cele trei seciuni coeficienii de siguran la oboseal se calculeaz dup
algoritmul urmtor, pe fibra exterioar i interioar :
maxjfexte
maxij (MPa)
minjfexte
minij (MPa), unde j = 2,4,6;
maxjintfi
maxij (MPa);
minjintfi
minij (MPa), unde j = 1,3,5;
- efortul unitar mediu : 2
minijmaxijijm
(Mpa), j = 16;
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
70/94
Pagina 70 din 94
- amplitudinea eforturilor rezultante : 2
minijmaxij
ijv
(MPa), j =16;
- coeficientul de siguran :ijmijv
1
jc
unde : = 1; = 1; = 0,75; = 0,12; -1= 370 (MPa); j =16
Cu ajutorul algoritmului de mai sus , valorile coeficienilor de siguran n cele ase
puncte vor fi :
- punctul 1 :
45.57max1intfmax11 (MPa)
67.15min1intfmin11 (MPa)
58.212
min11max11v11
(MPa)
09.382
min11max11m11
(MPa)
84.12cm11v11
1
1
- punctul 2 :
35,21max2fextmax22 (MPa)
91,68min2fextmin22 (MPa)
35,232
min22max22
v22
(MPa)
65.422
min22max22m22
(MPa)
96,9c
m22v22
12
-
7/29/2019 Analiza proiectarii unui motor pentru actionarea unui autoturism
71/94
Pagina 71 din 94
- punctul 3 :
11,70max3intfmax33 (MPa)
04,98min3intfmin33 (MPa)
63.52
min33max33v33
(MPa)
48,922
min33max33m33
(MPa)
2,119c
m33v33
13
- punctul 4 :
49,98max4fextmax44 (MPa)
47,86min4fextmin44 (MPa)
26,282
min44max44
v44
(MPa)
47,862
min44max44m