ARBORELE COTIT

Arborele cotit preia forţele transmise de biele (care rezultă din acţiunea forţelor de

presiune şi a forţelor de inerţie ale maselor cu mişcare de translaţie) şi forţele de inerţie ale

maselor cu mişcare de rotaţie. El însumează lucrurile mecanice dezvoltate în cilindri şi

transmite energia rezultantă spre utilizare. Împreună cu bielele, arborele cotit transformă

mişcarea de translaţie alternativă în mişcare de rotaţie. Arborele cotit comandă distribuţia

gazelor şi asigură deplasarea organelor mobile din instalaţiile auxiliare ale motorului.

Fig.1

Elementele componente ale arborelui cotit (fig.1) sunt: fusurile palier, prin care

arborele cotit se sprijină în lagăre; fusurile maneton, servind la articularea bielelor; braţele,

ce realizează legăturile dintre fusuri şi sunt prevăzute uneori, în partea opusă fusului maneton

adiacent, cu mase adiţionale, numite contragreutăţi, având rolul de a ameliora echilibrajul

forţelor de inerţie şi al momentelor lor şi de a descărca parţial lagărele; extremităţile, pe care

se montează diferite organe. În cea mai simplă alcătuire, orice cot al arborelui cuprinde un fus

maneton şi două braţe, încadrate de două fusuri palier. Configuraţia de ansamblu este

1

determinată de dispunerea cilindrilor motorului şi de cerinţele privind gabaritele şi

funcţionarea acestuia.

La motoarele în linie, arborele are câte un cot pentru fiecare cilindru (fig.2).

Fig.2

Soluţia clasică (2a) se obţine când numărul de fusuri palier este i+1, i fiind numărul de

cilindri. Ea asigură încărcări moderate ale elementelor arborelui, masa şi uzura lui fiind

corespunzător limitate.

Pt.unele MAS de automobil, arborele cotit se construieşte cu un număr mai mic de

fusuri palier (2 b,c), dacă forţele preluate sunt reduse, datorită nivelului coborât al presiunii

maxime a gazelor. Se realizează astfel un motor compact (arbore scurt), dar se majorează

solicitarea arborelui cotit la încovoiere, ca rezultat al creşterii distanţelor dintre reazeme; din

aceeaşi cauză, este necesară sporirea rigidităţii arborelui, ceea ce se realizează prin creşterea

diametrelor fusurilor şi scăderea lungimilor lor, precum şi prin mărirea dimensiunilor braţelor;

masa arborelui devine destul de mare, şi forţele de inerţie pot lua valori inadmisibile, la turaţii

mari. În consecinţă, se afirmă tot mai mult tendinţa de revenire la soluţia cu i+1 fusuri palier,

la MAS în linie, rapide şi cu cilindree mare.

Motoarele cu mai multe linii de cilindri utilizează arbori cotiţi cu un număr de coturi

inferior numărului de cilindri. La motoarele în V numărul de coturi este, de regulă, egal cu i/2,

iar fusurile palier alternează cu fusurile maneton.

2

Poziţiile relative al coturilor se stabilesc, de regulă, astfel încât să se asigure repartiţia

uniformă a aprinderilor, ceea ce determină uniformitatea maximă a momentului motor

rezultant şi un echilibraj avansat.

Convenţional, extremitatea arborelui dinspre consumatorul energiei transmise este

numită extremitatea din spate. Pe ea se prinde volantul (fig.1), care uniformizează mişcarea de

rotaţie a arborelui cotit. La extremitatea din faţă se fixează: o roată dinţată care acţionează

mecanismul de distribuţie (motoare în patru timpi) şi unele instalaţii auxiliare; o fulie pentru

acţionarea ventilatorului şi a generatorului de curent; uneori, pe extremitatea din faţă se mai

plasează o piesă ce serveşte la rotirea arborelui cotit, pentru pornirea manuală a motorului

şi/sau pentru efectuarea unor reglaje. Arborele cotit este privit de la extremitatea din faţă

pentru a i se preciza sensul de rotaţie. La majoritatea motoarelor, arborele cotit se roteşte „la

dreapta”, adică în sensul acelor de ceas, ceea ce permite aplicarea pornirii manuale a

motorului.

Forţele preluate de arborele cotit, periodic variabile, produc momente încovoietoare şi

de răsucire, de asemenea variabile periodic, care solicită elementele arborelui la oboseală.

Solicitările arborelui au şi caracter de şoc, datorită jocurilor din articulaţii, vitezei mari de

creştere a presiunii în timpul arderii şi schimbărilor de sens ale forţelor aplicate. Suplimentar,

fusurile arborelui sunt supuse frecării şi uzurii. Din cauza eforturilor care încarcă arborele

cotit, el suferă deformaţii însemnate, ce compromit coaxialitatea fusurilor şi cuzineţilor,

intensificându-le uzura.

Momentele care solicită arborele excită vibraţii de încovoiere şi de răsucire ale

acestuia. Deoarece amplitudinile vibraţiilor de încovoiere sunt limitate datorită montării

fusurilor palier în lagăre, aceste vibraţii devin periculoase numai dacă jocurile din lagăre cresc

exagerat, provocând distrugerea materialului antifricţiune al cuzineţilor. Cea mai expusă este

îmbinarea fusului palier de lângă extremitatea din faţă a arborelui cotit, care este adesea

protejată prin mărirea grosimii braţului alăturat.

Nivelul şi varietatea solicitărilor şi deformaţiilor impun ca arborele cotit să prezinte

valori înalte ale rezistenţei la oboseală, rigidităţii şi rezistenţei la uzură a fusurilor, precum şi

susceptibilitate redusă la rezonanţa vibraţiilor de răsucire. Foarte important pt.controlul

deformaţiilor este realizarea unei rigidităţi ridicate, ceea ce implică o masă mare a arborelui,

deci implicit supradimensionarea elementelor lui. Dimensionarea prea largă a arborelui

trebuie evitată din cauza creşterii exagerate a masei motorului (masa arborelui reprezintă cam

8,5...14% din masa motorului). Soluţii pentru dimensionarea arborelui cotit sunt prezentate în

tabelul 1:

3

Soluţia Efectele

Arbore scurt Rigiditate ridicată şi masă mică, mai ales la motoarele

în V cu biele principale şi secundare.

Fusuri palier cu diametru mare Rigiditate şi portanţă ridicate.

Masă mare, care însă nu influenţează forţele de inerţie

Fusuri cu orificiu axial Masă mică

Mase

mici în

rotaţie

Rază mică a manivelei Rigiditate ridicată. Masă mică

Dimensiuni mici ale

braţelor

Masă mică. Rezistenţă redusă la oboseală

Contragreutăţi mici

sau eliminate complet

Masă mică. Echilibraj slab. Încărcare mare a lagărelor

Tabelul 1

Calităţile cerute arborelui cotit se asigură prin utilizarea unui material superior şi prin

formă constructivă şi execuţie adecvate. Fabricaţia trebuie să fie uşoară, de înaltă precizie şi

economică, conferind arborelui durabilitate ridicată şi siguranţă mare în funcţionare.

Costul fabricaţiei arborelui ajunge cam la 15...25% din costul motorului.

Materiale pentru arbori cotiţi

Arborii cotiţi se construiesc, în general, din oţel. Dimensionarea largă pentru

asigurarea unei rigidităţi mari permite uneori utilizarea oţelului carbon de calitate. Pt. arbori

mai solicitaţi, în general de MAC, sunt necesare oţeluri aliate cu Cr, Ni, Mo, şi eventual V, cu

rezistenţă mare la rupere. Semifabricatul se elaborează prin deformare la cald (matriţare sau

forjare liberă).

La arborii cotiţi turnaţi se utilizează îndeosebi fonta. Faţă de oţel fonta are calităţi mai

bune de turnare, însă distribuţia mai defavorabilă a eforturilor unitare şi prezenţa zonelor de

grafit în structură impun adoptarea de dimensiuni sporite ale elementelor arborelui şi

alternarea fusurilor palier cu fusurile maneton. Se pot atribui braţelor forme adecvate creşterii

rezistenţei la oboseală şi contragreutăţilor solidare cu braţele, forme şi dimensiuni care asigură

o corelaţie justă între echilibraj şi descărcarea lagărelor. Datorită grafitului, fonta are bune

calităţi antifricţiune şi suportă presiuni superioare, ceea ce micşorează uzura fusurilor.

Tot pentru turnarea arborelui cotit se foloseşte şi oţel aliat sau oţel grafitat.

4

Construcţia arborelui cotit

A. Arbori cotiţi unitari

Adesea, arborele cotit este unitar (nedemontabil).

Fusurile arborelui cotit se construiesc astfel încât suprafaţa portantă să fie cât mai mare.

Diametrele fusurilor cu aceeaşi destinaţie sunt egale (dp la fusurile palier şi dm la

fusurile maneton). Pt a uşura fabricaţia şi a creşte rigiditatea şi portanţa, se recomandă dp = dm,

însă mărirea diametrului dm majorează masele în mişcare de rotaţie (masa fusului maneton şi a

capului bielei). În concluzie, se preferă soluţia dm<dp.

Lungimile fusurilor palier depind de încărcările fiecăruia. Adesea, fusul palier din

mijlocul arborelui este mai lung decât celelalte, mai ales când numărul de fusuri palier este

inferior numărului de coturi sau când arborele nu are contragreutăţi. Fusurile maneton au

aceeaşi lungime lm, datorită identităţii bielelor prinse direct pe ele. Pt.asigurarea portanţei

necesare, se recomandă ca produsul dmlm

Este recomandabil ca lm să fie redusă, pt.a limita solicitarea la încovoiere. Surtarea

excesivă, însă, a fusului maneton antrenează importante scăpări de ulei, impunând

supradimensionarea pompei de ulei.

La fusul palier de lângă una din extremităţile arborelui sau la cel din mijloc, se

prevede un joc axial de 0,05...0,3 mm. Se asigură astfel deplasarea axială liberă a arborelui,

care este necesară datorită dilatării lui diferite de dilatarea carterului; în plus, acest joc permite

arborelui să preia forţa aplicată axial de elementul care realizează cuplarea cu consumatorul

energiei date de motor.

În figura 3 este prezentată influenţa formei fusurilor şi braţelor asupra rezistenţei

cotului la oboseală. O construcţie simplă se obţine dacă fusurile arborelui cotit nu au canale

axiale (3a). Pentru a micşora masa arborelui cât şi forţele de inerţie, se recurge deseori la

găurirea axială a fusurilor. Soluţia e convenabilă şi sub aspectul rezistenţei la oboseală, care

sporeşte, întrucât găurile din lungul fusurilor determină o distribuţie mai favorabilă a fluxului

de forţe. Fig.3b: limita de oboseală prin răsucire se măreşte cu aprox.90%, dacă fusurile au

găuri cilindrice, faţă de fusurile pline (3a). O creştere suplimentară rezultă prin mărirea lăţimii

braţului (3c); mult mai eficiente sunt goluri sub formă de butoi (3d). Realizând forma de

butoi, soluţia e şi mai bună când braţul este lat sau oval (3e,f) având lăţimea maximă egală cu

lăţimea din variantele c şi e.

5

Fig.3

La fusul maneton este avantajoasă deplasarea găurii în raport cu axa periferiei: datorită

excentricităţii e (fig.4), efectul de concentrare a eforturilor unitare la trecerea spre braţ este

mai mult atenuat, iar rezistenţa la oboseală creşte cu 10 – 15%. De asemena, se micşorează

forţa de inerţie a cotului şi deci încărcarea lagărelor. Pentru a executa canalul ce transmite

uleiul de la fusul palier la fusul maneton, este uneori necesară şi excentricitatea laterală e’.

Fig.4

6

Braţele arborelui cotit

La unele motoare lente, braţele au formă dreptunghiulară (fig.5a), ceea ce asigură simplitatea

construcţiei. Mai raţionale sub aspectul reducerii masei arborelui şi a costului de fabricaţie

sunt formele obţinute prin îndepărtarea materialului din zonele care nu participă la

transmiterea eforturilor (5 b...d).

Fig.5

Pentru a mări lungimile fusurilor (reducerea uzurii), în cadrul distanţei fixate între

două coturi consecutive, se recurge la micşorarea grosimii b a braţelor, realizând secţiunea

necesară prin creşterea lăţimii lor h. Se obţin astfel braţe cu formă ovală (e) sau circulară (f).

Arborii cotiţi cu braţe ovale sau circulare se utilizează frecvent la motoare rapide, cu puteri

înalte. Execuţia lor este mai costisitoare, dar antrenează reducerea importantă a masei, precum

şi creşterea rezistenţei şi rigidităţii. Sub aceste aspecte, cea mai avantajoasă este forma

circulară, care asigură o foarte bună comportare la oboseală (5f).

7

O cerinţă deosebită constă în diminuarea efectului de concentrare a tensiunilor unitare

la trecerile dintre fusuri şi braţe. În acest scop, fusurile se racordează cu braţele sau, de cele

mai multe ori, cu pragurile intermediare p (fig.5). Soluţia este mai eficientă cu cât raza de

racordare este mai mare. Pe de altă parte, o rază prea mare de racordare determină scăderea

lungimii portante a fusului.

8