Date post: | 30-Oct-2015 |
Category: |
Documents |
Upload: | pierre-landry |
View: | 712 times |
Download: | 38 times |
of 171
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
1/171
Mircea NSTSOIU
REPROGRAFIA UNIVERSITII TRANSILVANIA DIN BRAOV
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
2/171
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
3/171
6
CUPRINS
1. CINEMATICA MECANISMULUI BIEL-MANIVEL ... 7
2. DINAMICA MOTOARELOR .... 10
2.1 Forele care acioneaz n mecanismul biel-manivel ..... 112.2 Momentul total al motorului policilindric ......................... 15
2.3 Forele care acioneaz asupra fusului arborelui cotit ....... 22
2.4 Echilibrarea motoarelor ............. 28
2.5 Calculul volantului .................... 50
3. CONSTRUCIA I CALCULUL BLOCULUI MOTOR ... 52
3.1 Construcia blocului motor ........ 53
3.2 Calculul blocului motor ............. 58
4. CONSTRUCIA I CALCULUL CILINDRILOR .............. 59
4.1 Construcia cilindrului ............... 60
4.2 Calculul cilindrului .................... 63
4.3 Elemente de etanare a cilindrilor ..... 66
5. CONSTRUCIA I CALCULUL CHIULASEI .................. 69
5.1 Construcia chiulasei ................. 70
5.2 Calculul chiulasei ...................... 73
6. CONSTRUCIA I CALCULUL PISTONULUI ................ 76
6.1 Construcia pistonului ................ 77
6.2 Calculul pistonului .................... 94
7. CONSTRUCIA I CALCULUL BOLULUI ........................ 100
7.1 Construcia bolului ................... 101
7.2 Calculul bolului ........................ 103
8. CALCULUL I CONSTRUCIA BIELEI ................... ........ 108
8.1 Construcia bielei ....................... 109
8.2 Calculul bielei ..... ....................... 114
9. CONSTRUCIA I CALCULUL SEGMENILOR ........... 124
9.1 Construcia segmenilor ............. 1259.2 Calculul segmenilor .................. 130
10. CONSTRUCIA I CALCULUL ARBORELUI COTIT ..... 139
10.1 Construcia arborelui cotit ....... 140
10.2Calculul arborelui cotit ............ 142
11. CONSTRUCTIA I CALCULUL MECANISMULUI DE DISTRIBUIE ............ 153
11.1. Construcia mecanismului de distribuie ........................ 154
11.2. Alegerea fazelor de distribuie ....... 158
11.3. Parametrii principali ai mecanismului de distribuie ..... 15811.4. Calculul cinematic i dinamic al mecanismului de distribuie ... 161
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
4/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 7
1. CINEMATICA MECANISMULUIBIEL-MANIVEL
n acest capitol se prezint mrimile care descriu din punct de vedere cinematicmecanismul biel-manivel.
Obiective operaionale Cunoaterea mrimilor care descriu din punct de vedere cinematic mecanismul
biel-manivel; Identificarea mrimilor care intervin n relaiile de calcul ale deplasrii, vitezei i
acceleraiile pistonului; Familiarizarea cu forma curbelor de variaie a deplasrii, vitezei i acceleraiile
pistonului.
Analiza n detaliu a cinematicii mecanismului biel-manivel este foartecomplex, din cauza regimului variabil de funcionare. De aceea s-au determinat relaiisimplificate, n ipoteza unei viteze unghiulare constante a arborelui cotit i la regimstabilizat, obinndu-se o precizie suficient.
La o vitez unghiular constant a arborelui cotit, unghiul de rotaie esteproporional cu timpul i, prin urmare, toate mrimile cinematice pot fi exprimate nfuncie de unghiul de rotaie a arborelui cotit.
Mecanismul biel-manivel poate fi de tipul axat, cnd axa cilindruluiintersecteaz axa arborelui cotit sau dezaxat, cnd cele dou axe nu se intersecteaz.
Fig.1.1 Schema mecanismului biel -manivel axat
Fig. 1.2 Schema mecanismuluibiel -manivel dezaxat
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
5/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule8Se vor prezenta relaiile de calcul ale deplasrii, vitezei i acceleraiei pistonului.
Se consider ca poziie iniial pentru msurarea unghiului, poziia pentru care pistonul seafl la o distan maxim de axa arborelui cotit.
n figura 1.1. este prezentat schema mecanismului biel manivel axat, unde s-aufcut urmtoarele notaii:
- unghiul de rotaie a arborelui cotit, se msoar n sensul de rotaie a arborelui
cotit;
30
n=
- viteza unghiular de rotaie a arborelui cotit, n s-1;
n - turaia arborelui cotit, n rot/min;R - raza manivelei (distana dintre axa arborelui cotit i axa fusului maneton), n m;S = 2R - cursa pistonului (distana dintre p.m.s. i p.m.i.) n m;l- lungimea bielei, n [m].Se definete raportul =R/l- raportul dintre raza manivelei i lungimea bielei;Pentru motoare de autovehicule = l/3,2l/4,2Deplasarea pistonului. Legea de variaie a deplasrii pistonului n funcie de
unghiul s-a determinat pe cale analitic:[m]2cos1
4cos3sin
2cos1 )-(+-R=)+-R(=x 2
(1.1)
Viteza pistonului. Derivnd relaia (1.1) n raport cu timpul, se obine expresiaanalitic a vitezei pistonului:
v =dx
dt=
dx
d
d
dt=
dx
d
(1.2)
Deci,
[m/s]2sin2
sin +R=v
(1.3)
Viteza pistonului atinge valoarea maxim cnd:0=)+(R=
d
dv 2
2coscos (1.4)
Prin rezolvarea ecuaiei (1.4) se obine valoarea unghiului pentru care vitezapistonului este maxim:
)f(=-+1
=v
4
1
2
1
4arccos
2
max (1.5)
n tabelul 1.1. este calculat mrimea vmax pentru diferite valori ale lui .
Tabelul 1.1.l 1/3,2 1/3,4 1/3,6 1/3,8 1/4 1/4,2vmax 7428' 7510' 7550' 7626' 77 7732'
vmax/vmed 1,637 1,631 1,626 1,622 1,617 1,614Poziia vitezei maxime a pistonului poate explica forma uzurii cilindrului n lungul
axei sale.Acceleraia pistonului. Derivnd n raport cu timpul expresia vitezei pistonului
(1.3) se obine:
][m/s2coscos 2)+(R=dt
dv=a 2 (1.6)
Pentru mecanisme biel-manivel cu 41 acceleraia atinge valoarea maxim
pentru = 0 i =180o, adic n p.m.s. i p.m.i.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
6/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 9
][m/s1 220 )+(R=a = (1.7)][m/s1 2180 )-(R-=a
2= (1.7)
Pentru mecanisme biel-manivel cu > 1/4 se atinge o a doua valoare negativextrem a acceleraiei:
][m/s8
1 2+R-=a 2
(1.8)
Unghiul de rotaie al arborelui cotit pentru care acceleraia pistonului este zero,corespunde unghiului la care viteza pistonului are valoarea maxim.
n figura 1.2. este prezentat schema principial a mecanismului biel-maniveldezaxat.
El se caracterizeaz prin:a - dezaxarea dintre axa cilindrului i axa arborelui cotit;K = a/R - dezaxarea relativ;K= 0,05 ... 0,2 pentru motoare cu ardere intern.Deplasarea pistonului. Cu o precizie suficient de mare, deplasarea pistonului
poate fi determinat cu relaia:
[m]sin2cos14
cos1 K--+-R=x
(1.9)
Viteza pistonului. Derivnd n raport cu timpul expresia deplasrii pistonului, seobine:
[m/s]cos2sin2
sin k-+R=d
dv=
dt
dx=v
(1.10)
Acceleraia pistonului va fi:
][m/ssin2coscos 22 k++R=d
dv=
dt
dv=a
(1.11)
Fa de expresiile deplasrii, vitezei i acceleraiei mecanismelor biel-manivelaxate, expresiile corespunztoare mecanismelor biel-manivel dezaxate se deosebesc
printr-un al treilea termen care ia n considerare influena dezaxrii.n figura 1.3 se prezint curbele variaiei deplasrii, vitezei i acceleraiei
pistonului.
Fig. 1.3 Variaia deplasrii, vitezei i acceleraiei pistonului
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
7/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule10
2. DINAMICA MOTOARELOR
Prin calculul dinamic al mecanismului biel-manivel se urmrete determinareamrimii i caracterului variaiei sarcinilor care acioneaz asupra pieselor motorului.Cercetrile n detaliu sunt foarte complexe din cauza regimului variabil de funcionare. Deaceea se folosesc relaii simplificate, obinute n ipoteza unei viteze unghiulare constante aarborelui cotit i la regim stabilizat.
Obiective operaionale
nsuirea modului de determinare a forelor care acioneaz n mecanismul biel-
manivel;
nsuirea modului de alegere a maselor pieselor n micare ale mecanismul
biel-manivel;
nsuirea mecanismului de alegere a ordinii de funcionare a cilindrilor
motorului; nsuirea mecanismului de determinare a momentului total pentru motoare n
linie i n V;
Determinarea forelor care acioneaz asupra fusului maneton. Diagrama polar
a fusului maneton;
Determinarea forelor care acioneaz asupra fusului palier. Diagrama polar a
fusului palier;
nsuirea mecanismului de determinare a diagramelor de uzur ale fusului
maneton i fusurilor paliere;
nsuirea modului de realizare a echilibrrii motorului monocilindric;
nsuirea modului de realizare a echilibrrii motoarelor policilindrice cu
dispunerea cilindrilor n linie i n V;
nsuirea modului de realizare a calculului volantului motorului.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
8/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 11
2.1 Forele care acioneaz n mecanismul biel-manivel
Asupra mecanismului biel-manivel, acioneaz forele date de presiunea gazelordin 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 inerieale maselor aflate n micare alternativ de translaie (indice j) i fore de inerie alemaselor aflate n micare de rotaie (indice r).
Pentru calculul organelor mecanismului biel-manivel, al sarcinilor n lagre,pentru cercetarea oscilaiilor de torsiune, etc., trebuie determinate valorile maxime, minimei 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.
2.1.1 Fora de presiune a gazelor
Fora dat de presiunea gazelor pe piston se determin cu relaia:g g p ind 0 pF = p A = (p - p ) A [N], (2.1.)
n care:pg - presiunea de lucru sau suprapresiunea, n [N/m
2];pind - presiunea indicat n cilindru dup diagrama indicat n [N/m
2];po - presiunea mediului ambiant (po=10
5[N/m2];
p
2
A =D
4
- aria capului pistonului, n [m2];
D - diametrul pistonului, n [m].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 indicatedesfurate (cronomanogramei).
Fora de presiune a gazelor este ndreptat dup axa cilindrului i poate ficonsiderat n axa bolului de piston. Aceast for este considerat pozitiv cnd esteorientat spre axa arborelui cotit (pind > po) i negativ cnd este orientat invers (pind i p bt > t este posibil apariia de jocuri negative. 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 posibi l
numai dac bolul se monteaz cu joc n locaurile din piston, joc care n timpulfuncionrii se poate mri.
Montajul dintre bol i piston cu ajutaj cu strngere se poate realiza prin nclzireapistonului la 353393K.
Jocul la cald n piciorul bielei nu difer practic de jocul de montaj deoarecetemperatura piciorului bielei i temperatura bolului au valori apropiate i suntconfecionate din acelai material.
Fig. 7.6.Variaia tensiunilor unitare de ovalizare n bol(a) i valorilemrimilorK, 1, 2, 3,4 (b)
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
105/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule108
8.CALCULUL I CONSTRUCIA BIELEI
n acest capitol se prezint diverse soluii constructive ale bielei i elemente de
calcul ale acesteia. De asemenea, sunt prezentate unele principii care stau la baza
proiectrii bielei.
Obiective operaionale
Cunoaterea diverselor soluii constructive utilizate la biel;
nsuirea avantajelor i dezavantajelor diferitelor soluii utilizate la construcia
bielei;
nsuirea modului de alegere a soluiilor constructive n funcie de tipul i
destinaia motorului;
Cunoaterea materialelor i semifabricatelor utilizate n construcia bielelor
destinate motoarelor pentru autovehicule;
Cunoaterea principiilor care stau la baza proiectrii i calculului de rezisten al
bielei.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
106/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 109
8.1 Construcia bieleiCondiiile de solicitare la care este supus biela n funcionarea motorului,
impun gsirea acelor soluii constructive ale bielei care s asigure o rezisten i origiditate maxim n condiiile unei mase ct mai mici. n acest sens se constat o seriede tendine, care vizeaz scurtare lungimii bielei, renunarea la buca de bronz din
piciorul bielei prin utilizarea bolurilor presate; nlocuirea bielelor forjate cu bieleturnate 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 diminuareanlimii motorului. Dezavantajele soluiei sunt: creterea uzurii cilindrului i creterealungimii mantalei pistonului.
n cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare se utilizeaz biele lungipentru diminuarea valorii forei normale.
8.1.1 Piciorul bieleiLa proiectarea piciorului bielei trebuie s se in seama de dimensiunile bolului
i de tipul mbinrii piston-bol-biel. Pentru corectarea masei bielei n partea superioarsau cea lateral se prevede o proeminen (Fig. 8.1.a).
Rigidizarea piciorului bielei se realizeaz prin adoptarea de raze mari deracordare ntre acesta i corpul bielei (Fig. 8.1.b.) 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 prinintermediul unui orificiu (Fig. 8.1.a.) sau unei tieturi. Ungerea sub presiune a bolului
Fig. 8.1. Tipuri constructive ale piciorului bielei
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
107/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule110
presupune aducerea uleiului printr-un canal care strbate corpul bielei (Fig. 8.1.c). ncazul 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 ( Fig. 8.1.d).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 lamotoarele pentru autovehicule.
La bolul flotant i bolul fix n umerii pistonului, n piciorul bielei se monteazcu strngere o buc din bronz.
La motoarele n doi timpi mbinarea bolului cu biela se poate realiza prinintermediul unui rulment cu ace.
Fig. 8.2. Dimensiunile corpului bielei
Fig. 8.3. Forele care apar la separarea capacului dup un plannclinat fa de axa bielei
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
108/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 111
8.1.2 Corpul bieleiPentru 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 nforma de dublu T (Fig. 8.2.).
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.
8.1.3 Capul bieleiCapul 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 45 o mai rar cu30o
sau 60o
fa de planul de ncastrare. Soluia se adopt pentru a permite trecerea capuluibielei prin cilindru la montaj.
n cazul separrii capacului dup un plan nclinat fa de axa bielei (Fig. 8.3)fora care supune biela la ntinderea se descompune n dou componente, una axial iuna tangenial.Deoarece nu este permis solicitarea de forfecare a uruburilor de biel de componentatengenial, aceasta poate fi preluat de: renuri triunghiulare practicate n planul de
Fig. 8.4. Capul bielei cu plan nclinat de secionare
Fig. 8.5 Concentrarea tensiunilor (1) i metodele de nlturare a lor.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
109/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule112
separaie (Fig. 8.4,a); praguri ale capacului, (Fig. 8.4,b,c); buce de centraj, (Fig. 8.4,d);tifturi.
Pentru a se micora dimensiunile capului, distana dintre uruburi trebuie s fiect mai mic (grosimea minim a peretelui interior n dreptul gurii urubului finnd de1,0...1,5 mm, iar grosimea peretelui exterior este de 2 mm).Muchiile ascuite din partea superioar determin apariia ruperilor de aceea ele senlocuiesc cu racordri sau degajri (Fig. 8.5).
La capacul bielei se prevd nervuri de rigidizare i un exces de material pentruajustarea masei bielei (Fig. 8.6.).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 nlinie.
n cazul soluiei de ambielaj furc, una din biele are capul n furc (fig. 8.7) iar
Fig. 8.7 Ambielaj cu capul furc
Fig. 8.6.Capul bielei cu plan normal de secionare
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
110/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 113
cealalt, biel inferioar - are capul normal. Ambele biele lucreaz asupra aceleaibuce.
La ambielajul articulat, biela 1 (fig. 8.8) transmite micarea bielei mame 2. Laaceast soluie constructiv suprafaa portant a bielei se unge cu ulei sub presiune de lamaneton.
La motoarele n V pentru autovehicule datorit simplitii constructive i de
montaj este aplicat cu preponderen soluia cu biele alturate.
8.1.4 uruburile de bielPentru prinderea capacului se utilizeaz dou sau patru uruburi, din partea
capacului spre capul bielei. Utilizarea unor uruburi fr piulie face posibil micorareadimensiunilor capului de biel. n cazul adoptrii acestei, soluii pentru urub, se
Fig. 8.9.Soluii constructive pentru uruburile de biel
Fig. 8.8 Ambielaj articulat
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
111/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule114
fileteaz gaura din partea superioar a capului bielei. O soluie comod o constituiefolosirea unor uruburi prizoniere prelucrate dintr-o bucat cu partea superioar acapului.
Capul i corpul uruburilor de biel pot avea diverse forme constructive nfuncie de soluia adoptat pentru capul bielei (fig. 8.9).
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 oelurilealiate mrcile 40C 10, 41 M oC 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.
8.2 Calculul bielei8.2.1
Calculul piciorului bielei
Dimensiunile caracteristice ale piciorului bielei se determin iniial pe baza datelorconstructive obinute prin metode statistice (tabelul 8.1).
Tabelul 8.1.Dimensiunile caracteristice ale piciorului bielei.
Dimensiunea \Tipul motorului MAS MAC
Diametrul exterior al piciorului d e (1,25...1,65)d (1,30...1,70)d
Grosimea radial a piciorului hp (0,16...0,27)d (0,16...0,20)d
Grosimea radial a bucei hb (0,075...0,085)d (0,080...0,085)d
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 agazelor i fora de inerie;3. Solicitarea de fretare produs la presarea bucei sau a bolului n picior.
Fig. 8.10 Dimensiunile picioruluibielei
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
112/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 115
8.2.1.1Solicitarea de ntindere
Fora de ntindere are valoarea maxim cnd fora datorat presiunii gazelor esteminim, deci cnd pistonul se afl la PMS la nceputul cursei de admisie. n acestecondiii fora de ntindere se determin cu urmtoarea relaie:
F F m r j pp 2 1 [N] (8.1)
Tensiunile unitare produse de fora de ntindere se determin n urmtoareleipoteze:
a) piciorul bielei reprezint o grind curb ncastrat n zona de racordare apiciorului cu corpul bielei;
b) fora de ntindere este distribuit uniform pe jumtatea superioar a piciorului.n cazul n care unghiul de ncastrare >90
o, momentul ncovoietor i foranormal n seciunea de ncastrare (fig. 8.11) determinate de fora de ntindere, auurmtoarele expresii:
M M N r F r m m 0 0 1 0 5cos , sin cos (8.2)
N N F 0 0 5cos , sin cos (8.3)
unde: Mo- momentul ncovoietor n seciunea B-B determinat de fora de ntindere;No- fora normal n seciunea B-B determinat de fora de ntindere.Momentul ncovoietor Mo i fora normal No se determin cu urmtoarele
relaii:
M F r m 0 0 00033 0 0297 , , (8.4)
N F 0 0 572 0 0008 , , (8.5)unde: se introduce n radiani.
n seciunea de ncastrare momentul ncovoietor i fora normal solicit attpiciorul bielei ct i buca sau bolul presat, n aceste condiii se utilizeaz un coeficientde proporionalitate care are expresia:
KA
A
E
E
b
p
BZ
a
1
1(8.6)
unde: Ab- aria seciunii bucei;Ap- aria seciunii piciorului;
Fig. 8.11.Schema de calcul a piciorului bielei la ntindere.a) solicitare; b) dispunerea tensiunilor
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
113/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule116
EBZ- modulul de elasticitate al materialului bucei sau bolului presat;EOL- modul de elasticitate al materialului bielei.Tensiunile n seciunea de ncastrare A-A pentru fibra interioar (s i ) respectiv
exterioar (se) produse de fora de ntindere se calculeaz cu relaiile:
E
E
BZ
OL
1 15 10
2 1 2 2 10
5
5
,
, ,
[N/mm2]
i m p
p m p
p
Mr h
h r hk N
a h
26
2
1[N/mm2] (8.7)
e m p
p m p
p
Mr h
h r hk N
a h
26
2
1[N/mm2] (8.8)
Dac unghiul de ncastrare 90, relaiile pentru momentul ncovoietor ifora normal n seciunea de ncastrare devin:
M M N r F r m m0 0 1 0 5 1cos , cos (8.9)
N N F 0 0 5 1cos , cos (8.10)Momentul ncovoietor Mo, fora normal No i tensiunile n seciunea de
ncastrare se calculeaz cu relaiile determinate la analiza primului caz.La proiectare se adopt =90130
0.
8.2.1.2Solicitarea de compresiune
Fora de compresiune are valoarea maxim cnd presiunea din cilindru arevaloarea maxim:
F
Dp m r
c g p
22
41
max
[N] (8.11)
Calculul tensiunilor produse n piciorul bielei de solicitarea de compresiune seefectueaz n urmtoarele ipoteze:
a) piciorul bielei se consider o grind curb ncastrat n zona de racordare cucorpul bielei;
b) fora de compresiune este distribuit sinusoidal (fig. 8.12) pe jumtateainferioar a piciorului.
Momentul ncovoietor i fora normal n seciunea de ncastrare A-A,determinate de fora de compresiune pot f i calculate cu relaiile:
M M N r F rc m c c mc
c c
0 0 1
2
1cos
sinsin cos
(8.12)
N N Fc c cc
c c
0 2
1cos
sinsin cos
(8.13)
unde: c se msoar n radiani.Momentul ncovoietor i fora normal n seciunea B-B sunt calculate n tabelul
8.2., n funcie de unghiul de ncastrare.Tabelul 8.2.
Valorile relative ale momentuluiMo'i foreiNo'
Mrimea \Unghiul de ncastrare 90o 100 105 110 115 120 125 130
Mo'/Fc rm.10
3
0 0,03 0,10 0,25 0,60 1,10 1,80 3,00No'/Fc.10
3 0 0,10 0,50 0,90 1,80 3,00 6,00 8,50
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
114/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 117
Valorile tensiunilor n seciunea de ncastrare determinate de fora decompresiune se calculeaz cu urmtoarele expresii:a) pentru fibra interioar:
ic cm p
p m p
c
p
Mr h
h r hk N
a h
26
2
1[N/mm2] (8.14)
b) pentru fibra exterioar:
ec c
m p
p m pc
p
Mr h
h r hk N
a h
26
2
1[N/mm2] (8.15)
Variaia tensiunilor n fibra interioar i exterioar pentru diverse valori aleunghiului de ncastrare duce la obinerea unei variaii asemntoare celei prezentate nfig. 8.12.
8.2.1.3Solicitarea datorat presrii bucei
n timpul funcionrii motorului la strngerea de montaj (m) se adaug osolicitare suplimentar de compresiune (t) datorat dilatrii bucei de bronz.Dilatarea termic a bucei se determin cu urmtoarea relaie:
t i BZ OL md t t [mm] (8.16)unde: di- diametrul interior al piciorului bielei [mm]
BZ= 1810-6 1/K - coeficientul de dilatare al bucei;
OL= 1010-6 1/K - coeficientul de dilatare al materialului bielei;
t= 373423 K - temperatura piciorului bieleitm= 293 K - temperatura mediului ambiant.Presiunea datorat strngerii poate fi obinut cu expresia:
f
m t
i
e2
i2
e2
i2
OL
i2 2
i2 2
BZ
p
d
d d
d d
E
d d
d d
E
[N/mm2] (8.17)
Fig. 8.12.Schema de calcul a piciorului bielei la compresiune.
a) solicitare; b) dispunerea tensiunilor
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
115/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule118
unde: = 0,3 - coeficientul lui Poisson.n cazul montajului cu bol fix n piciorul bielei, fixare obinut prin presare,
relaiile de mai sus rmn valabile prin nlocuirea materialului pentru buce cumaterialul din bol.
Valorile tensiunilor produse de presiunea p fsunt:a) n fibra interioar:
i f
e2 i2
e2
i2
p d d
d d
[N/mm2] (8.18)
b) n fibra exterioar:
e fi
e i
pd
d - d
2 22 2
[N/mm2] (8.19)
Coeficientul de siguran al piciorului bielei se calculeaz n ipoteza uneisolicitri de oboseal dup un ciclu simetric de ntindere - compresiune, pentru fibraexterioar n seciunea de ncastrare.
Valorile maxime i minime ale tensiunilor ciclului sunt:
max e e [N/mm2] (8.20)min e ce [N/mm
2] (8.21)
iar amplitudinea sa i tensiunea medie sm a ciclului:
a
max min2
[N/mm2] (8.22)
m
max min2
[N/mm2] (8.23)
n aceste condiii expresia coeficientului de siguran poate fi scris sub formaurmtoare:
C-1
ka m
t
(8.24)
unde: -1t= 180250 [N/mm2] - pentru oel carbon sau
-1t= 340400 [N/mm2] - pentru oel aliat; - rezistena la oboseal pentru ciclul
simetric de ntindere - compresiune;k=1 - coeficient de concentrare ;= 0,80,9 - factorul dimensional;= 0,120,20 - coeficientul ce depinde de caracteristicile materialului;= 0,700,80 - coeficientul de calitate al suprafeei.Valorile coeficientului de siguran calculate trebuie s fie cuprinse n intervalul
25.Deformaia produs piciorului bielei sub aciunea forei de inerie se determin
cu relaia:
p
jp m c
OL
F r
E I
8 90
10
3 2
6 [mm] (8.25)
unde: I- momentul de inerie al suprafeei seciunii piciorului bielei.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 valoareajocului de montaj.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
116/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 119
8.2.2 Calculul corpului bieleiDimensiunile caracteristice mai rspndite pentru profilul n dublu T al corpului
bielei sunt determinate pe baza prelucrrilor statistice ale construciilor existente(Tab.8.3).
Tabelul 8.3
Dimensiunile corpului bieleiHp Hc hi B a
(0,481,0)de (1,101,35)Hp 0,666H 0,75H 0,167H
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 sealege la mijlocul lungimii bielei (seciune A-A (Fig. 8.13); la o variaie mai pronunat aseciunii transversale, seciunea de calcul se adopt seciunea minim aflat sub piciorul
bielei (seciunea B-B, Fig. 8.13).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 pistoni a masei situate deasupra ei (m 1b=0,275mb)
F m m r b p 1 2 1 [N] (8.26)Dac calculul se realizeaz n seciunea minim atunci fora care solicit corpul
bielei la ntindere este:
F m r p 2 1 [N] (8.27)
Tensiunile la ntindere sunt:
F
A [N/mm
2] (8.28)
unde: A- aria seciunii de calcul a corpului bielei.Corpul bielei este supus la compresiune de ctre fora determinat cu relaia:
Fig. 8.13. Dimensiunile corpului bielei;parametrii constructivi Schema solicitrii corpului la compresiune
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
117/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule120
FD
p m m rc g b p
2
12
41
max[N] (8.29)
Tensiunea de compresiune este dat de relaia:
ccF
A [N/mm
2] (8.30)
iar cele de flambaj vor fi:a) n planul de oscilaie
f
e
x
cE
l
IF
0 2
2
[N/mm2] (8.31)
b) n planul de ncastrare:
f
e
y
ct E
l
IF
212
[N/mm2] (8.32)
unde: e- limita de elasticitate;Ix,Iy- momentele de inerie n planul de oscilaie, respectiv n planul de
ncastrare;
l- lungimea barei cu capetele articulate;l1- lungimea barei cu capetele ncastrate.n general este de dorit ca f0= f ceea ce implic urmtoarea relaie ntre
momentele de inerie ale seciunii de calcul Ix =Iy (l/l1)2.
La M.A.S. se adopt l/l1 = 2,62,8 iar pentru M.A.C. l/l1 = 1,31,6.nsumarea tensiunilor de compresiune i de flambaj poate fi realizat dup
urmtoarele relaii:a) n planul de oscilaie:
0 0t c fc
x
F
AC
l A
I
1
2
[N/mm2] (8.33)
b) n planul de ncastrare:
t c fc
y
F
AC
l A
I
1 1
2
[N/mm2] (8.34)
unde:
CE
Cl A
IC
l A
I
e
x y
2
212
0 00015 0 00050
1 1 110 115
, , ;
, ,
Valorile rezistenelor admisibile sunt de 160250 N/mm2 pentru biele din oelcarbon i 200300 N/mm 2 pentru biele din oel aliat.
Corpul bielei este supus la solicitri variabile, de ntindere i compresiune dupun ciclu simetric. Coeficientul de siguran se determin cu relaia:
C t1
ka m
(8.35)
Tensiunea maxim, minim, amplitudinea ciclului i tensiunea medie sedetermin cu ecuaiile:
max min
max min max min
; ;
;
t c
a m
0
2 2
Mrimile pentru k, , i iau aceleai valori ca i n cazul piciorului bielei.Valoarea coeficientului de siguran calculat pentru corpul bielei nu trebuie s
fie inferioar coeficientului de siguran admisibil de 2,02,5.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
118/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 121
8.2.3 Calculul capului bieleiDimensiunile 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.
Solicitarea de ntindere se transmite numai capacului i este determinat de forade inerie a pieselor aflate n micare de translaie i de fora centrifug a masei bieleicare efectueaz micarea de rotaie mai puin masa capacului bielei.
F r m m m m p b b cb 2 1 21 [N] (8.36)Calculul tensiunilor se realizeaz admind urmtoarele ipoteze:a) Capul bielei este o bar curb continu;
b) Seciunea cea mai solicitat este seciunea de ncastrare A -A (Fig. 8 .14);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 tensiuniproporional cu momentul de inerie al seciunii transversale.
Tensiunea n fibra interioar_ n sec_iunea de calcul este dat de relaia:
c
cuz
cp
cp
cp cuz
d
I
IW
A A
0 023
1
0 4, ,[N/mm2] (8.37)
unde: Icp,Icuz - momentele de inerie ale capacului i cuzinetului;
Acp,Acuz - ariile seciunilor capacului i cuzinetului;Wcp- modulul de rezisten la ncovoiere al seciunii capacului;Rezistena admisibil este de 100150 N/mm2.Solicitarea capului bielei se desfoar dup un ciclu pulsator, coeficientul de
siguran calculndu-se cu relaia:
C - t
2
11
max
Valoarea calculat pentru coeficientul de siguran trebuie s fie cuprins nintervalul 2,5 ...3,0.
Sub aciunea forei de inerie se produc deformaii n seciunea de separare acapacului de corp.
Deformaia maxim poate fi determinat cu ecuaia:
c
cp cuz
F l
E I I
0 0024 3,[mm] (8.39)
Valoarea deformaiei calculate nu trebuie s depeasc jumtate din jocul demontaj D. La proiectare D se adopt n limitele (0,00030,0030)dm, unde dm estediametrul fusului maneton.
8.2.4 Calculul uruburilor de bieluruburile de biel sunt solicitate de fora de strngere iniial F sp i de fora deinerie a maselor n micare de translaie i a maselor n micare de rotaie care se afl
deasupra planului de separare dintre corp i capac (F_).
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
119/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule122
Dac biela arezuruburi, atunci fora de inerie care solicit un urub este:
FF
z
1 [N] (8.40)
Pentru a asigura strngerea necesar cuzineilor, fora de strngere iniial aurubului trebuie s fie mai mare dect fora de inerie care revine unui uru b:
F Fsp 2 3 1 [N] (8.41)n timpul funcionrii, asupra urubului de biel acioneaz fora:
F F Fs sp 1 [N] (8.42)
unde: - este constanta care ine seama de elasticitatea sistemului.Experimental s-a stabilit = 0,150,25.innd seama de forele care solicit uruburile de biel, acestea se
dimensioneaz innd seama de solicitarea la ntindere i se verific la oboseal.Diametrul fundului filetului se determin cu relaia:
d cc
c
Fs c
1
2
s
c
4
[mm] (8.43)
unde: cc= 1,253,00 - coeficientul de siguranc1= 1,3 - factor care ine seama de solicitrile suplimentare de torsiune care apar
la strngerea piuliei;c2= 1,2- factor care ine seama de curgerea materialului n zona filetat;c=6001400 N/mm
2- limita de curgere a materialului urubului.Diametrul prii nefiletate se determin cu ecuaia:
d c4 F
s cs
c [mm] (8.44)
Verificarea la oboseal se face considerndu-se c ciclul de solicitare esteondulant pozitiv sau pulsator.
Tensiunile maxime sunt calculate cu relaiile:max max =
F
A; =
F
A
s
s
s
s
(8.45)
iar cele minime cu:
min min =F
A; =
F
A
sp
s
sp
s
(8.46)
unde: As- aria seciunii urubului n partea filetat;
Fig. 8.14 Schema de calcul a capuluibielei
Fig. 8.15 Schema de determinare acoeficientului de siguran a uruburilor de
biel
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
120/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 123
As'- aria seciunii urubului n partea nefiletat.Coeficientul de siguran se determin pe baza diagramei schematizate prin dou
linii frnte a lui Serensen (Fig. 8.15).Identificarea tipului ciclului de solicitare se realizeaz cu urmtoarea relaie:
a
m
1
(8.47)
unde:
-1 c 0
a m
/ ; ;
;max min max min
2
2 21 0
Dac este ndeplinit condiia pus prin relaia (8.47) atunci ciclul este asimetricsau pulsatoriu, iar dac nu este ndeplinit, ciclul de solicitare este ondulant.
n cazul ciclului asimetric sau pulsatoriu (ciclu situat deasupra liniei OB)coeficientul de siguran se determin cu relaia:
C 1
ka m
(8.48)
Valorile coeficientului de siguran calculat trebuie s se ncadreze n intervalul2,5...4,0.
C c
ka m
(8.49)
Dac ciclul este ondulant (se afl plasat sub linia OB) coeficientul de siguranse calculeaz cu ecuaia:
Valoarea calculat trebuie s se gseasc n intervalul 1,3...2,0.Mrimile care intr n relaiile (8.48) i (8.49) au urmtoarele valori:-1= 300700 N/mm
2,
k= 3,04,5 pentru oel carbon i
k= 4,05,5 pentru oeluri aliate;= 0,81,0;= 1,01,5= 0,2.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
121/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule124
9.CONSTRUCIA I CALCULUL SEGMENILOR
n acest capitol se prezint diverse soluii constructive ale segmenilor i
elemente de calcul ale acestora. De asemenea, sunt prezentate unele principii care stau la
baza proiectrii segmenilor.
Obiective operaionale
Cunoaterea diverselor soluii constructive utilizate la segmeni;
nsuirea avantajelor i dezavantajelor diferitelor soluii utilizate la construcia
segmenilor;
nsuirea modului de alegere a soluiilor constructive n funcie de tipul i
destinaia motorului;
Cunoaterea materialelor i semifabricatelor utilizate n construcia segmenilor
destinai motoarelor pentru autovehicule;
Cunoaterea principiilor care stau la baza proiectrii i calculului de rezisten al
segmenilor.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
122/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 125
9.1 Construcia segmenilorSegmenii au rolul de a realiza etan[area camerei de ardere, de a uniformiza
pelicula de ulei de pe oglinda cilindrului i de a transmite cilindrului o parte din cldurapreluat de piston de la gazele fierbini. Segmenii care mpiedic scparea gazelor dincilindru n carterul motorului se numesc segmeni de compresie iar segmenii caredistribuie uniform i elimin excesul de ulei de pe suprafaa cilindrului se numescsegmeni de ungere.
Soluiile care se adopt la proiectarea segmentului trebuie s in seama decerinele impuse de sigurana n funcionare, durabilitate, eficiena etanrii i preul decost.
Eficiena etanrii realizate de segment depinde de presiunea medie elastic peaplicat de acesta pe oglinda cilindrului n corelaie cu presiunea gazelor din spatelesegmentului. Elasticitatea segmentului se opune tendinei de ntrerupere a contactului
provocat de deformrile de montaj i termice, de uzura suferit de cilindru. Segmentulexercit presiunea pe pe oglinda cilindrului numai dac este liber n canal, pentru a puteaurmri deformaiile cilindrului.
La motoarele de turaie ridicat datorit presiunii radiale mici a gazelor i vibraieitrebuie s se asigure segmentului presiuni medii elastice mrite.
Mrirea presiunii medii elastice a segmenilor diminueaz pulsaia acestora imrete 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 evacuareacldurii de la pistoane la cilindri i elimin vibraiile radiale. Mrirea grosimii radialeconduce la creterea tensiunilor de ncovoiere n seciune, de aceea se impune utilizareaunor 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 grosimeaxial ct mai mare. La motoarele de turaie ridicat creterea grosimii axiale determin
Fig. 9.1. Evoluia grosimii axiale funcie deturaia motorului
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
123/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule126
creterea zonei portsegmeni a pistonului, cu efecte negative asupra masei ineriale aleacestuia, 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 (fig. 9.1.).Pn la un alezaj de 90 mm se recomand funcie de turaia motorului a trei clase
de segmeni cu grosimi axiale b= 1,5; 2,0; 2,5 mm. Pentru alezaje cuprinse ntre 90200[mm] se confecioneaz segmeni cu grosimi axiale b= 24 [mm].
Alegerea numrului de segmeni ai pistonului trebuie s in seama de urmtoareleconsiderente: un numr mare de segmeni nu mbuntete etanarea, ci mrete numainlimea pistonului cu efecte negative asupra masei acestuia; un numr prea mic de
Fig. 9.3.Forme constructive de segmeni
Fig. 9.2. schema aciunii de etanare a segmenilor
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
124/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 127
segmeni nu realizeaz sigurana n funcionare.Numrul de segmeni poate fi mrit cnd se urmrete reducerea nivelului termic
al pistonului.Rolul principal n etanarea camerei de ardere o are primul segment (fig. 9.2.),
ceilali segmeni avnd o eficien mai redus. Se apreciaz c se realizeaz o etanareoptim 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 ungerecare se plaseaz la partea inferioar a regiunii portsegment, asemenea soluie se aplic i lamotoarele cu aprindere prin comprimare de turaie ridicat. n cazul M.A.C. de cilindreemare 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(fig. 9.3). Segmentul cel mai simplu este cel cu seciunea dreptunghiular (P01). Muchiileascuite 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 senltur prin racordarea muchiilor segmentului; al doilea dezavantaj se nltur dezvoltndo presiune specific mai mare pe suprafaa lateral. n acest scop se micoreaz nlimeade reazem a segmentului pe cilindru. Pentru a reduce nlimea segmentului o primsoluie const n nclinarea suprafeei laterale cu un unghi de 25'45' (T01B73). nacelai scop se prevede pe suprafaa lateral o poriune cilindric de 0,40,8 [mm] i unanclinat cu 210o (P22, P23, P24, T23, T24). Deschiderea unghiului este ndreptattotdeauna spre chiulas pentru a reduce consumul de ulei. Pentru a se asigura o buncurire a uleiului se realizeaz segmeni cu degajri de (0,250,30)b pe suprafaa lateral(P20, P21, P23, P24, T20, T23, T24).
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 fiinddat de segmentul bombat (B01B73). Segmen]ii cu seciune nesimetric (P10, P11,P12, P30, P32, P60, T10, T11, T30, B10, B11, B12) se numesc segmeni de torsiune sau
Fig. 9.4. Segmentul trapezoidal
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
125/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule128
de rsucire.O soluie eficient contra blocrii segmentului n canal o constituie segmentul
trapezoidal realizat prin nclinarea feelor cu 5100 (fig. 9.4.) (P31, T31, B31).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 introducinserii 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 amri 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 deulei, 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 (020, 023, 030...043, 051, 052, 061...063, 070) lacare se adaug degajarea pentru raclarea energic (020...024, 031, 050...073). La segmenii
perforai nlimea de reazem se micoreaz prin practicarea unor degajri i reducereaadecvat a suprafeei de reazem. La aceti segmeni presiunea elastic are valori cuprinsentre 0,140,70 [N/mm2].
Ca segmeni de ungere se folosesc i segmenii cu expandor (050082).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 (pe = 0,551,10 [N/mm2] expandor arc spiral).
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 mecanicridicat la temperaturi ridicate; 5) modul de elasticitate superior la temperaturi mari; 6)
caliti bune de adaptabilitate la forma cilindrului.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 utilizeazoelul.
Fig. 9.5. Segmeni de ungere din oel
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
126/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 129
Aplicarea pe segment a unor straturi superficiale dure mrete rezistena la uzare,cromarea poroas reduce uzura segmentului de 25 ori, i se aplic n generalsegmentului de foc.
La proiectare se va ine seama de recomandrile din figura 9.6 i tabelele 9.19.3.t- grosimea radial a segmentului;d1s - diametrul interior al segmentului;d1c - diametrul canalului de segment;Dcil - alezajul cilindrului;b - grosimea axial a segmentului;hc - nlimea canalului de segment;
tc - dimensiunea radial a canalului;R - raza fundului canalului;Ja - jocul pe flancurile segmentului (Ja = hc-b);JP- jocul piston-cilindru;Jr- jocul radial al segmentului;Jr=1/2(dis-dic)
Tabelul 9.1.nlimea canalului de segment (hc)
Varianta MASNr.canal 1 2 3 4
Canal 1 1,50 1,50 1,75 1,75Canal 2 1,50 1,75 2,0 2,50Canal 3 2,50 3,00 2,50/3,50 4,0
MACDiametrul D100 mm D(100140] D(140180] D>180 mm
Canalul 1 i 2dreptunghiular
2,0 3,5 3,0 3,5
Canalul 1 i 2trapezoidal
2,5 3,0 3,5 4,0
Canalul 3 4,0 4,0 5,0 5,0
Fig. 9.6. Dimensiunile segmentului i canalului dinpiston
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
127/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule130
Tabelul 9.2Jocul pe flancurile segmentuluija i jocul radialjr[mm]
MASJocul pe flancuri
ja [mm]Jocul radialjr[mm]
Tip canal rcit cu lichid rcit cu aersegment 1 0,0300,005 (0,07) 0,0500,070 (0,09) 0,800segment 2 0,0200,040 (0,06) 0,0300,050 (0,07) 0,800segment 3
de ungere font0,0100,030 (0,05) 1,000
segment 3de ungere oel
0,0300,050 (0,08)
MACJocul pe flancurija [mm] Jocul radialjr[mm]
Tip canal rcit cu ap rcit cu aer
segment 1 dreptunghiular 0,060,08 0,100,12 1,3*
sau 1,4**
segment 2 dreptunghiular 0,040,06 0,060,08 1,3
*sau 1,4**
segment 3 dreptunghiular 0,040,06 0,040,06 1,3*sau 1,4
**
unghi 6 trapezoidal 0,040 0,040 1,3*sau 1,4
**
unghi 15 trapezoidal 0,030 0,030 1,3*sau 1,4
**
*diametrul interior al segmentului < 100 mm**diametrul interior al segmentului 100 mm
Tabelul 9.3.nlimea capului de piston pn la primul segmentnlimea spaiului dintre primul i al doilea segment
MAS aspiraie natural cu 9,5 h1 = 4,5%DMAS cu > 9,5 sau supraalimentate h1 = 5,0%D
MAC pentru autoturism sau autocamion cu aspiraie natural h1 = 6,0%DMAC cu supraalimentare i rcire intermediar a aerului h1 = 89%D
MAC supraalimentat h1 = 78%Dnlimea spaiului dintre al doilea i al treilea segment
MAS i MAC h2 = 3,5%D
MAC pentru autocamion h2 = 4,5%D
9.2 Calculul segmenilorCalculul 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, ti b;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.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
128/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 131
9.2.1 Distribuirea presiunii radialePentru stabilirea formei segmentului n stare liber se pleac de la acceptarea unei
epure de presiune variabil (fig. 9.7). Curba de repartiie a presiunii dezvoltate deelasticitatea proprie a segmentului se exprim print-o serie trigonometric de forma:
e 0 2 3 np ( ) p p p 3 p n cos cos cos (9.1)
Termenul iniial (po) reprezint presiunea medie pe care o dezvolt segmentul
Fig. 9.7. Curba de reparti]ie a presiunii segmentului pe oglinda cilindrului
Fig. 9.8. Curba de repartiie lin a
presiunii segmentului pe oglinda
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
129/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule132
0 ep
1p ( )d
0
i este partea constant a presiunii, restul expresiei fiind corecia ei.
n aceste condiii expresia general a curbei devine:
e ei
ei
n
p ( ) pp
pi
1
2
cos (9.2)
Dac numrul armonicilor pentru care se dezvolt calculul relaiei convergente(9.2) este n=2, distribuia de presiune reprezint o variaie lin (fig. 9.8)
Curba ce se obine se caracterizeaz prin raportulp
p
e
e
max , 2 25
Alegndu-sep
p
e
e
max , 1 60 se obine urmtoarea expresie pentru curba de repartiie a
presiunii: ep ( ) 2 3 1 0 42 0 18, cos , cos (9.3)
Fig. 9.9. Schema de calcul a segmentului
Fig. 9.10. Schema de calcul a momentului ncovoietor
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
130/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 133
9.2.2 Calculul profilului segmentului n stare liberLa calculul formei libere a segmentului se urmrete deplasarea relativ din poziia
de montaj n cea destins, a unui punct de fibra medie.Deplasarea relativ a unui punct N(R,y) (fig. 9.9) fa de poziia No(Ro,yo) se
compune din deplasarea radial u i deplasarea unghiular definit prin relaiile:
R R
0
0 (9.4)
Ecuaia diferenial a deplasrii radiale este urmtoarea:
ud
d
R M
E I2
2 2
(9.5)
Pentru calculul deplasrii se calculeaz momentul ncovoietor ntr-o seciuneM .Momentul elementar produs ntr-o seciune de o for elementar dF este:
dM N H dF0 0 (9.6)
unde: 0 0N H
- distana de la braul forei la punctul No din seciunea considerat (fig.9.10.a)
Deoarece: 0 0N H R 0 sin rezult:
dM R dF 0 sin (9.7)Fora elementar ntr-o seciune (fig. 9.10.a) n fibra medie a segmentului poate
fi exprimat prin relaia:
dF p b R d0
e 0 (9.8)
unde: b - grosimea axial a segmentului.
Deoarece fora n fibra exterioar
dF p b R de 1 (9.9)
trebuie s fie egal cu cea din fibra medie, rezult:
0e e
p pR
R
10
(9.10)
Deci:
dMR
Rb p R d
e 1
002 sin (9.11)
Pentru calcule se definete un parametru constructiv:
c b
R
R b
D
t
D
t
1
0
1 1
1 (9.12)unde: t- grosimea radial a segmentului.
Astfel, se poate scrie expresia momentului produs n seciunea de suma tuturorforelor din dreapta seciunii:
M c R p de
=
0
2 sin (9.13)
Pentru curba de presiune descris de ecuaia (9.3) se obine urmtoarea expresiepentru momentulM.
M c R p de=
=
02 1 0 8375 0 14 2 0 022 3, cos , cos , cos (9.14)
iar pentru cazul general:
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
131/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule134
M c R p
- p
i p
p
i pi
e
i
i
ei
ni
ei
n
021
22
22
11
1
1
1cos cos cos (9.15)
Dac se substituie relaia (9.15) n ecuaia diferenial a deplasrii date de relaia(9.5), se obine:
u d ud RE I c R p - pi p pi p iei
i
ei
n
i
ei
n
2
2 0
2
02
1
22
22
1 1 1 1 1 cos cos cos (9.16)
nlocuind:
03
R
E Ic p K
e (9.17)
Se obine ecuaia:
u
d u
dK R
- p
i p
p
i pi
i
i
ei
ni
ei
n
2
2 0
1
22
22
11
1
1
1 cos cos cos (9.18)
Ecuaia (9.18) este neomogen i se rezolv cu urmtoarele condiii limit pentrusegmentul montat:
- seciunea A-A (fig. 9.10.b) fiind pe axa de simetrie nu poate efectua deplasriunghiulare, =0 i du/d=0;
- deplasarea radial a segmentului dup axa X-X (fig. 9.10.a) este aceeai la celedou extremiti, adic =0U U
n aceste condiii se obine urmtoarea expresie general a deplasrii radiale:
u R K
- p
i p
p
i pi
p
i pi=
i=2
ni
i
e
i=2
ni
e i=3
ni
e
0
3 5 7 9 1 1
1
2
2 2 2
11
1
2
1 1, , , ,
sin
cos cos
(9.19)
Deplasarea radial pentru segmentul cu distribuia presiunii dup o curb simpleste:
u R K
0
1 0 41875 0 0028125
0 046 2 0 0028125 3
, sin , cos
, cos , cos
(9.20)
Lungimea fibrei medii a segmentului este aceiai n stare liber i n stare montat:Rd R d 0 0 (9.21)
sau 0 0 0R u d R d 0 (9.22)
Neglijnd termenii mici de ordinul doi, rezult
du
Rd
00
(9.23)
Deplasarea unghiular a segmentului de presiune variabil se obine rezolvndecuaia (9.23).
K
- p
i p
- p
i p
p
i pi
p
i pi=
i
i
ei
n i
i
ei
n
i
ei
n
i
ei
n
3 5 7 9 11
1
22
1
22
2 22
2 23
1
1
2
11
1
2
1 1, , , ,
cos sin
sinsin
(9.24)
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
132/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 135
Deplasarea unghiular pentru segmentul cu distribuia presiunii dup o curb lineste:
K 0 41825 0 42106 0 2239 2, cos , sin , sin (9.25)Deplasarea unghiular a capetelor n stare liber se obine pentru =
31
1 2
1
2i=2
n i
i
e
p
i p
K (9.26)
Distana dintre capete, msurat pe fibra medie n stare liber este:s R 2 (9.27)
Substituind pe din relaia (9.26) n (9.27) i neglijnd u rezult:
S R K
p
i pi=2
ni
i
e
0
1
23
1
1 (9.28)
Introducnd n expresia lui S (9.28) valoarea explicit a termenului K, se obine:
c R p
E I
S
p
i p
e
i=2
ni
i
e
04
1
23
1
1
(9.29)
Tabelul 9.4.Valoarea rapoartelorpi/pe pentru diverse epure ale presiunii elastice
Curbapresiunii
2
e
p
p 3
e
p
p 4
e
p
p 5
e
p
p 6
e
p
p 7
e
p
p 8
e
p
p 9
e
p
p 10
e
p
p 11
e
p
p 12
e
p
p
Fig. 9.11.a 0,309 -0,435 0,287 -0,196 0,141 -0,108 0,097 -0,093 0,079 -0,071 0,014Fig. 9.11.b 0,205 -0,571 0,472 -0,322 0,279 -0,267 0,256 -0,214 0,178 -0,177 0,094Fig. 9.11.c 0,254 -0,194 0,243 -0,184 0,166 -0,159 0,158 -0,148 0,146 -0,147 0,076
Fig. 9.8 0,420 -0,180 0 0 0 0 0 0 0 0 0
Fig. 9.11. Scheme de repartiie a presiunii segmentului
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
133/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule136
n tabelul 9.4. se dau valorile rapoartelor pentru segmenii cu distribuie variabil(fig. 9.11.a.b.c.) pentru calculul deplasrilor unghiulare i radiale.
Coordonatele u i fiind cunoscute se traseaz profilul segementului n stare liberR R u
0 0 ; (9.30)
9.2.3 Calculul grosimii radiale a segmentuluiGrosimea axial a segmentului se determin din condiiile de evacuare a cldurii
din piston i de a limita pulsaiile
bD
kp
p g
a
2 100
1max
[mm] (9.31)
unde k=0,08 - constant;pgmax- presiunea maxim din cilindru [N/mm
2];a - tensiunea admisibil (5565 [N/mm
2]).Grosimea radial se calculeaz din formula lui Navier:
maxMW
-610 [N/mm2] (9.32)
unde: M- momentul ncovoietor maxim al segmentului [N/m];W- modul de rezisten al seciunii [m3].
Momentul maxim se calculeaz pentru y = 0
maxM c R p
p
i pe
i=2
ni
i
e
02
1
22
1
1 (9.33)
nlocuind n relaia (9.33) presiunea obinut din relaia (9.29) rezult:
maxM
S E I
p
i p
R p
i p
i=2
ni
i
e
02
i=2
ni
i
e
2
1
1
31
1
1
2
1
2
(9.34)
nlocuind n relaia lui Navier, i avnd n vedere c I=Wt/2 iar
0RD t t D
t
1 1
2 2 21
se obine:
maxi
i
i
ei
n
i
i
ei
n
E S
tD
t
p
i p
p
i p
2
1
21
1
31
1
21
1
22
1
22
(9.35)
La proiectarea unui segment se impune valoarea presiunii medii elastice (pe) nraport cu condiiile lui de funcionare, aceasta se calculeaz din relaia (9.29)
e i
i
ei
np
E S I
c R p
i p
02 1
22
1
31
1
(9.36)
Cum momentul de inerie este I= bt3
/12 substituind "c" din relaia (9.16) i pe Rodin relaiaRo =f(D1,t), rezult:
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
134/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 137
e i
i
ei
np E
S
D Dt
pi p
0 424
1
1
3 11
11
3 1
22
, (9.37)
Introducnd n relaia (9.35) n locul tensiunii maxime tensiunea admisibil imprind relaia (9.35) cu (9.37), se obine:
11
22
08161
21
1
D
t p p
i p
a
e
i
i
ei
n
, (9.38)
RaportulD1/treprezint un factor constructiv de baz al segmentului.
9.2.4 Calculul tensiunilor n segment la montajPentru montajul segmentului pe piston este necesar ca prin intermediul unui
dispozitiv capetele acestuia s fie desfcute att ct este necesar pentru a mbrca pistonul.Prin desfacerea segmentului apar tensiuni care au valoarea maxim n seciunea opusforei.
Tensiunea maxim se determin cu urmtoarea relaie de calcul:
i i
i
ei
nm
E
s
t
D
t
p
i p
max
1 21
1
1
31
1
2 1
22
(9.39)
unde: m - constant care depinde de varianta dispozitivului care desface segmentul:m=1,00 pentru fig. 9.12.a;m=1,57 pentru fig. 9.12.b im=2,00 pentru fig. 9.12.c.a=230 [N/mm
2]
9.2.5 Calculul fantei segmentuluiFanta la rece dintre capetele segmentului se determin din condiia ca fanta la calds aib valoarea optim.Lungimea segmentului la rece este:
Fig. 9.12. Scheme de aplicare a forei de desfacere a segmentului
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
135/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule138
sl D s 0 (9.40)la cald lungimea va fi:
s s sl D s t t 0 01 (9.41)Cum diametrul cilindrului are la cald valoarea dat de expresia:
c c cD D t t 1 0 (9.42)
rezult c: D s t t s D t ts s c s s0 0 01 1 (9.43)
unde: sc - fanta la cald.Rezult:
sD t t t t s
t t
s s c c c
s s
0
0 0
01
(9.44)
Fanta la cald se stabilete n funcie de alezaj i de tipul motorului.La proiectare pentru motoarele rcite cu ap se adopt sc = (0,00150,0030)D, iar
pentru motoarele rcite cu aersc =(0,00250,0040)D [mm].
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
136/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 139
10. CONSTRUCIA I CALCULUL ARBORELUICOTIT
n acest capitol se prezint diverse soluii constructive ale arborilor cotii i
elemente de calcul ale acestora. De asemenea, sunt prezentate unele principii care stau la
baza proiectrii arborelui cotit.
Obiective operaionale
Cunoaterea diverselor soluii constructive utilizate la arborele cotit;
nsuirea avantajelor i dezavantajelor diferitelor soluii utilizate la construcia
arborelui cotit;
nsuirea modului de alegere a soluiilor constructive n funcie de tipul,
organizarea i destinaia motorului;
Cunoaterea materialelor i modului de obinere a semifabricatelor utilizate n
construcia arborilor cotii;
Cunoaterea principiilor care stau la baza proiectrii i calculului de rezisten al
arborilor cotii.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
137/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule140
10.1 Construcia arborelui cotitLa 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 seamplaseaz dup fiecare cot, diametrele acestora se mresc, iar lungimile acestora semicoreaz, de asemenea aceste msuri fac posibil mrirea dimensiunilor braelor.Rigiditatea arborelui cotit poate fi mbuntit i prin mrirea suprapunerii seciunilorfusurilor 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 unconcentrator de tensiune (fig. 10.1). n scopul atenurii efectului de concentrare atensiunilor, racordrile dintre fusuri i brae se realizeaz cu raze ct mai mari, dup un arcde elips sau arc de parabol (R=0,045D). Pentru mrirea suprafeei de sprijin a fusuluiracordarea se poate executa sub forma unui arc cu raze variabile .
O soluie eficient de diminuare a tensiunilor cu 2030% o constituie racordareacu 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 cuun 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 nudepeasc 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 utilizareafusurilor tubulare. Soluia asigur o mai bun distribuire a fluxului de fore, determinnd ocretere a rezistenei la ncovoiere i torsiune cu 2030% iar a rezistenei la oboseal cu
pn la 100%.Pentru a se asigura o ungere bun a fusurilor arborelui cotit raportul
lungime/diametru trebuie s se nscrie n urmtoarele intervale: lm/dm = 0,50,6;lp/dp=0,40,5.
Echilibrarea arborelui cotit i descrcarea lagrelor paliere se realizeaz prinaplicarea de contragreuti n prelungirea braelor.
Contragreutile pot fi ataate prin intermediul uruburilor la arborii cotii forjaisau 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.Captul anterior al arborelui cotit se proiecteaz n trepte pentru a face posibilmontarea 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 captuldin fa al arborelui cotit se prevede montarea amortizorului de vibraii torsionale.
O atenie deosebit trebuie s se acorde etanrii captului anterior pentru aprevenii scurgerile de ulei.
Captul posterior al arborelui cotit se proiecteaz ct mai scurt posibil i el trebuieprevzut cu o flan pentru montarea volantului.
Etanarea captului posterior se poate realiza combinat prin inele deflectoare imanete de etanare din cauciuc sau psl. De asemenea pentru a mbuntii etanarea peultima poriune a fusului se poate executa o poriune de filet cu sens invers sensului derotaie al arborelui.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
138/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 141
La proiectarea arborelui cotit, n funcie de turaia maxim se va dimensionadiametrul suprafeei care vine n contact cu garnitura deoarece viteza periferic este unfactor 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 laviteze periferice de 12 m/s i temperaturi de 383 K; cele din cauciuc acrilic pn 20 m/s itemperatura 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 tensiunilemaxime 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 limitaimpus geometriei fusurilor condiioneaz durabilitatea cuzineilor, uzura fusurilor i nconsecin durabilitatea arborelui. Toleranele privind poziia spaial se refer laconcentricitatea fusurilor i rectiliniaritatea axei arborelui cotit, care trebuie s fie nlimitele 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 peaceasta.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 fusurilorpaliere i manetoane este legat de asigurarea rezistenei la oboseal i de condiiile deuzur a fusurilor i cuzineilor. De aceea rugozitatea suprafeelor fusurilor se limiteaz la0,10,4mm.
Fig. 10.1 Arbore cotit cu contragreuti
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
139/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule142
Evitarea apariiei unor dezechilibre se realizeaz prin aplicarea echilibrriidinamice 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 poatefolosi fonta aliat cu Cr, Ni, Mo, Cu. Semifabricatele din font se obin prin turnare ceeace confer acestora o bun precizie micornd volumul prelucrrilor mecanice cu 25-30%.
Oelurile folosite pentru obinerea arborilor cotii sunt oeluri de mbuntire cu ifr elemente de aliere. n mod obinuit se folosesc oeluri carbon de calitate OLC45 iOLC60. Pentru arborii cotii puternic solicitai se utilizeaz oeluri aliate cu Cr-Ni, Cr-Ni-Mo sau Cr-Mo.
10.2 Calculul arborelui cotitAvnd n vedere condiiile de funcionare, prin calcul, arborele cotit se verific la
presiune specific i nclzire, la oboseal i la vibraii de torsiune.Calculul arborelui cotit are un caracter de verificare, dimensiunile lui adoptndu-se
prin prelucrarea statistic a dimensiunilor arborilor cotii existeni. (Tabelul 10.1 i fig.10.2).
Concomitent cu dimensionarea arborelui cotit se adopt i configuraiacontragreutilor. (masa i poziia centrului de greutate se determin la calculul dinamic almotorului).
Tabelul 10.1Dimensiunile relative ale elementelor arborelui cotit
M.A.S. M.A.C.Dimensiunea caracteristic n linie n V n linie n V
Lungimea cotului l (0,901,20)Dl (1,21,4)D (1,051,30)D (1,201,35)DDiametrul fusului palierdp (0,600,80)D (0,750,85)D (0,700,80)D (0,700,85)DLungimea fusului palierlp-paliere intermediare-paliere extreme sau medii
(0,30,5)dp(0,50,7)dp
(0,30,5)dp(0,50,7)dp
(0,40,6)dp(0,60,7)dp
(0,50,6)dp(0,60,86)dp
Diametrul fusului maneton dm (0,550,70)D (0,600,75)D (0,560,72)D (0,700,75)DLungimea fusului maneton lm (0,450,60)dm (0,400,60)dm (0,450,6)dm (0,450,65)dmDiametrul interiordmi (0,600,80)dm (0,60,8)dm (0,60,75)dm (0,60,75)dmGrosimea braului h (0,150,36)dm (0,150,35)dm (0,200,35)dm (0,200,35)dm
Limea braului b (1,171,90)dm (0,70,9)dm (1,52,0)dm (1,52,0)dmRaza de racordare (0,060,1)dm (0,060,08)dm (0,070,10)dm (0,070,10)dm
10.2.1Verificarea fusurilor la presiune i la nclzirePentru a se preveni expulzarea peliculei dintre fusuri i cuzinei trebuie s le
limiteze presiunea maxim pe fusuri.Presiunea specific convenional maxim pe fusurile manetoane i paliere se
calculeaz cu relaiile:
max
max
m
m
m mp
R
d l (10.1)
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
140/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 143
max
max
p
p
p p
pR
d l
(10.2)
unde: Rmmax, Rp max sunt forele maxime care ncarc fusurile manetoane irespectiv paliere, valorile lor determinndu-se din diagramele polare desfurate.
Presiunea specific medie convenional pe fusurile manetoane i palire sedetermin cu relaiile
m
m
m m
pR
d l
(10.3)
p
p
p p
p =R
d l(10.4)
unde Rm i Rp reprezint mediile aritmetice ale valorilor forelor care ncarcfusurile manetoane i paliere.
Tabelul 10.2.Valorile admisibile ale presiunilor pe fusurile arborelui cotitPresiunea specific maxim [MPa] Presiuna specific medie [MPa]
Tipul fusului MAS MAC MAS MACManeton 4,08,0 7,015,0 3,07,5 3,010,0
Palier 2,07,5 4,515,0 2,03,5 2,07,5
Verificarea fusului la nclzire se efectueaz iniial pe baza unui calcul simplificati aceasta se refer la determinarea valorii coeficientului de uzur.
K p pd n
m m mm
33
60(10.5)
K p pd n
p p p
p
33
60(10.6)
unde: = viteza relativ dintre fus i cuzinet n m/s; - coeficientul de conectare a vitezei relative (pentru 1/l=3; =1,085;
1/l=4; =1,054; 1/l=5; = 1,037).Valorile limit pentru coeficientul de uzur sunt > 30 MPa pentru aliajele Al-Sn;
35...40 MPa pentru bronzurile pe baz de Pb cu acoperire; 25...30 MPa pentru aliajele pebaz de St; 25 MPa pentru bronzurile pe baz de Pb.
Verificarea la nclzire prin aceast metod nu ia n considerare factoriicaracteristici ai regimului hidrodinamic de ungere.
Fig. 10.2.Dimensiunile relative ale arborelui cotit
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
141/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule144
10.2.2Verificarea la obosealCalculul arborelui cotit ca o grind static nedeterminat implic dificulti. De
aceea calculul impune adoptarea unei scheme simplificate de ncrcare i deformare careconsider arborele cotit ca o grind discontinu alctuit dintr-un numr de pri egal cunumrul coturilor. Calculul se efectueaz pentru fiecare cot n parte n urmtoarele ipotezesimplificatoare:
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 Mpj egal cu
suma momentelor coturilor care preced cotul de calcul, iar la reazemul dindreapta acioneaz momentulMp(j-1) (fig. 10.3)
10.2.2.1 Calculul fusului palier
Fusul palier este solicitat la torsiune i ncovoiere dup un ciclu asimetric.
Deoarece lungimea fusurilor este redus, momentele ncovoietoare au valori mici i naceste condiii se renun la verificarea la ncovoiere. Fusurile paliere dinspre parteaanterioar a arborelui cotit sunt solicitate la momente de rsucire mai mici dect aceleacare 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. Calculultrebuie dezvoltat pentru fiecare fus n parte, ceea ce implic nsumarea momentelor detorsiune. Momentele de intrare (Mpj) i ieire (Mpj-1) pentru fiecare cot sunt:
M T rp ji n
i j
j
(10.7)
M M T r T rp p j ji n
i j
j j
1
1
(10.8)nsumarea momentelor de torsiune trebuie s in seama de ordinea de aprindere,
iar valoara momentului de torsiune pe fiecare fus se determin tabelar.
Fig. 10.3.Schema forelor carea acioneazasupra unui cot al arborelui cotit
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
142/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 145
Tabelul 10.3Determinarea momentelor de torsiune pe fiecare fus palier
Mn=Tn.r M3=M4+T3.r M2=M3+T2.r M1=M2+T1.rORAC N.m N.m N.m N.m
0
10
720
min
minp
p
p
M
Wp
(10.9)
max
maxp
p
p
M
Wp
(10.10)
Din tabelul 10.3 se determin valorile momentelor maxime i minime ale fiecruifus, dup care se determin tensiunile maxime i minime.
Aplitudinea tensiunilor i valoarea tensiunii medii se calculeaz cu relaiile
a mp
p p
p
p p
max min max min;
2 2
Coeficientul de siguran se calculeaz cu relaia:
p
kp p
C
a m
1
(10.11)
unde :
k
2 52
0 08 0 10 0 50 0 65
1 7 2 0 0 45 0 55 110 1 28
1 0
01 1
0 1 1 3
, ; , , ; , , ;
, , ; , , ; , ,
- pentru oelurile aliate, ecruisate cu jet de alice : = 1,11,4;- pentru fusurile clite prin CIF:-1 = 180230 N/mm
2 - pentru oel carbon de calitate;-1 = 280320 N/mm
2 - pentru arbori cotii din oel aliat.Valorile calculate pentru coeficientul de siguran trebuie s fie superioare
valorilor de 3...4 pentru MAS, 45 pentru MAC i 23 pentru MAC supraalimentat.
10.2.2.2 Calculul fusului maneton
Fusul maneton este solicitat la ncovoiere i torsiune. Calculul se efectueaz pentruun cot care se sprijin pe dou reazeme i este ncrcat cu fore concentrate (fig. 10.4).Deoarece seciunea momentelor maxime ale acestor solicitri nu coincide n timp,coeficientul de siguran se determin separat pentru ncovoiere i torsiune i apoicoeficientul global de siguran.
Reaciunile n reazeme se determin din condiiile de echilibru ale forelor imomentelor. Este convenabil ca forele ce acioneaz asupra fusului s se descompundup dou direcii: una n planul cotului, cealalt tangenial la fusul maneton.
n calculul se folosec urmtoarele simboluri pentru forele care acioneaz asupracotului:Az,AT,Bz,BT - reaciunile din reazemele A i B n planul cotului i n planul tangentla fusul maneton;Fbr - forele de inerie produse de masele neechilibrate ale braelor; Fm -
fora de inerie produs de masa manetonului;F2b - fora de inerie produs de masa bielein micare de rotaie;Fcg - forele de inerie produse de masele contragreutilor;Zk i Tk -fora normal i respectiv tangenial la fusul maneton k.
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
143/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule146
innd cont de configuraia arborelui cotit, reaciunile ntr-un reazem se determinn modul urmtor:
Pentru arborele cotit cu contragreuti egale n prelungirea fiecrui bra (fig. 10.5),reaciunile n planul cotului i n planul tangent sunt date de relaiile
B z F b F F Fz k m eg br 0 5 2, (10.12)B T
T k 0 5, (10.13)
Dac arborele cotit are aceeai configuraie cu cel din figur, dar nu se asigurdescrcarea tuturor lagrelor paliere i echilibrarea cot cu cot , atunci contragreutilr numai sunt n prelungirea braelor (fig. 10.6).
Schema de ncrcare a cotului pe braul cruia s-a montat contragreutatea estediferit de schema reprezentat n figura 10.7.
Reaciunile n reazemul B vor fi:
B Z F F Fa
lFZ b m br cg 0 5 1 2 1, cos (10.14)
B T al
FT cg 0 5 1 1, sin (10.15)
La arborii cotii dispunerea coturilor ca cei reprezentai n figura 10.7 i se pot
Fig. 10.5 Schema arborelui cotit cu contragreuti egale n prelungirea fiecrui bra
Fig. 10.4 Schema de calcul a reaciunilor n reazeme
Fig. 10.6 Schema arborelui cotit cu contragreuti egale care nu asigur descrcarea tuturorlagrelor paliere i echilibrarea cot cu cot
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
144/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 147
ntlni construcii la care contragreutile de pe braele aceluiai cot pot avea masediferite (fig. 10.8).
n acest caz, schema de ncrcare a unui cot pe braele cruia sunt montatecontragreuti de mase diferite se prezint ca n figura 10.9.Expresiile reaciunilor n reazemul B vor fi:
B Z F F F Fa
lF FZ b m br cg cg cg
0 5 1 2 2 1 2, cos (10.16)
B T Fa
l F FT cg cg cg
0 5 1 1 2, sin (10.17)n cazul n care construcia arborelui cotit prevede ca fusurile paliere s fie
amplasate dup dou coturi (fig. 10.10).Schema de ncrcare se prezint ca n figura 10.11.Reaciunile n reazemul din B vor avea urmtoarele expresii:
B Z Z Zb
lF F
c
lF F
a
lb m br cg 2 2 1 2 2 1 2
(10.18)
B T T Tb
lT 2 2 1 (10.19)
La motoarele cu cilindri dispui n V cu biele alturate (fig. 10.12) i schema decalcul este prezentat n figura 10.13.
Reaciunile pot fi calculate cu relaiile:
B Z Z Zb
lF Z
m2 5 1 5 20 5 , (10.20)
Fig. 10.7 Schema de calcul a reaciunilorn reazemele cotului cu contragreuti carenu asigur descrcarea fusurilor paliere i
echilibrarea cotului
Fig. 10.8 Schema arborelui cotit cu contragreuti inegale pe braele aceluiai cot
Fig. 10.9 Schema de calcul a reaciunilorn reazemele cotului cu contragreuti
inegale
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
145/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule148
B T T Tb
lT
5 1 5 (10.21)
10.2.2.2.1 Calculul poziiei centrului de greutate al prii neechilibrate a braelorPoziia centrului de greutate al masei neechilibrate a braului se determin astfel:- Se descompune suprafaa prii neechilibrate n suprafee simple pentru care
poziiile centrelor de greutate sunt cunoscute n raport cu sistemul de axe xoy (O plasat peaxa palierului).
- Deoarece braul este simetric fa de axa Oy de coordonateXG br = 0, iar
brG
i i
i
i
i
y
y A
A
(10.22)
Ai fiind suma ariilor suprafeelor simple. Calculul se realizeaz tabelar.
10.2.2.2.2 Calculul fusului maneton la ncovoiere
ncovoierea fusului este dat n planul cotului de momentul (fig. 10.4). iar nplanul tangenial de momentul ncovoietor
Fig. 10.10 Schema arborelui cotit cufusuri paliere plasate dup dou
coturi
Fig. 10.11 Schema de calcul a reaciunilor dinreazeme la arborele cu paliere dup dou
coturi
Fig. 10.12 Schema arborelui cotit pentruun motor n V
Fig. 10.13 Schema de calcul a reaciunilordin reazemele cotului motorului n V
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
146/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 149
M l BT T 0 5, (10.24)Fusul maneton este prevzut cu un orificiu pentru trecerea uleiului cu un unghi
fa de axa manivelei. Concentrarea maxim a tensiunilor se produce la marginea acestuiorificiu.
Momentul de ncovoiere M i (fig. 10.14) care acioneaz n planul orificiului deungere U-U se calculeaz cu relaia 10.25.
MMM TZi sincos (10.25)Pentru simplificare calculul se realizeaz tabelar dup urmtorul model
Tabelul 10.4Tabel pentru calculul momentului de ncovoiere care solicit manetonul
n seciunea orificiului de ungere BZ MZ MZ.cos BT MT MT.sin Mi
ORAC N N.m N.m N N.m N.m N.m0
10
720
Cu valorile maxime i minime ale momentului ncovoietor extrase din tabelulntocmit se calculeaz valorile maxime i minime ale tensiunilor:
max minmax min; im
i
m
M
W
M
W(10.26)
Coeficientul de siguran pentru solicitarea de ncovoiere este dat de relaia:
Ck
a m
1 (10.27)
La calculul coeficientului de siguran pot fi adoptate urmtoarele valori:k= 1,92,0; = 0,70,8; = 0,090,10; = 0,70,8; -1 = 250350
N/mm2,oel carbon; 500...550 N/mm2 oel aliat; 260...280 N/mm2 font cu grafit nodular.
10.2.2.2.3 Calculul fusului maneton la torsiune
Momentul care solicit fusul maneton la torsiune se calculeaz cu relaia:M M B rT p Tj (10.28)
Fig. 10.14 Schema pentru determinarea momentuluin planul orificiului de ungere
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
147/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule150
Calculul se organizeaz tabelar pentru a gsi valorile maxime i minime alemomentului de torsiune care solicit fusul maneton.
Tabelul 10.5Calculul momentului de torsiune a fusului maneton
Mpj BT.r MTORAC N.m N.m N.m
010
720Valorile maxime i minime ale tensiunilor de torsiune se calculeaz cu relaiile:
max minmax min; T
p
T
p
M
W
M
Wm m
(10.29)
Modulul de rezisten polar pentru fusul maneton cu orificiu excentric secalculeaz cu relaia:
mp mmi
m
W16
d dd
3 1 (10.30)
- coeficientul de corecie funcie de excentricitatea relativ a gurii (= 2./(dm-dmi)) (fig. 10.15)
Coeficientul de siguran pentru solicitarea de torsiune este dat de ecuaia:
Ck
a m
1 (10.31)
Pentru a calcula coeficientul de siguran C se pot adopta urmtoarele valori:k = 1,82,0; = 0,70,8; = 0,080,10; = 1,11,4; -1 = 180220
N/mm2 - oel carbon ; -1 = 280320 N/mm2 - oel aliat; - 1 = 160180 N/mm2 - fontcu grafit nodular.
Coeficientul global de siguran al manetonului se determin cu relaia:
22
CC
CCCm
(10.32)
La motoarele cu aprindere prin scnteie valorile coeficientului global de siguran
Fig. 10.15. Coeficientul de corecie pentru calculul modulului derezisten polar al fusului maneton cu orificiu excentric
7/16/2019 Calculul Si Constructia Motoarelor Cu Ardere Interna
148/171
Calculul i construcia motoarelor pentru autovehicule 151
al manetonului, trebuie s fie cuprins ntre 2,53,0 iar la motoarele cu aprindere princomprimare ntre 3,03,5.
10.2.2.3 Calculul braului arborelui cotit
Braul arborelui cotit este solicitat de sarcini variabile de ntindere, compresiune,
ncovoiere i torsiune. Coeficienii de siguran pentru aceste solicitri se determin nmijlocul laturii mari a seciunii tangente fusului palier, punctul I (fig. 10.16). unde aparcele mai mari eforturi unitare.
n planul cotului ia natere o solicitare compus de ncovoiere produs demomentulMiz=Bz.a i compresiune produs de reaciunea Bz.
Tensiunea total are expresia:
M
W
B
AB
a
b h b h
iZ
br
Z
br
Z
6 12
(10.33)
Funcie de valorile extreme ale reaciunii Bz se calculeaz tensiunile normale dencovoiere i compresiune maxime i minime:
max minmax min;
B
a
b h b hB
a
b h b hZ Z
6 1 6 12 2
(10.34)
Coeficientul de siguran la ncovoiere se determin cu relaia:
Ck
a m
1 (10.35)
n calculele de proiectare, la determinarea coeficientului de siguran se au nvedere urmtoarele valori:=