8/7/2019 lucrarediz

1/52

Sistem de calcul i proiectare pentru

un motor cu ardere intern

Absolvent

Ionu Culcic

Conductor proiectConf. Bogdan RADU

2011

1

8/7/2019 lucrarediz

2/52

Cuprins1. Introducere ......................................................................................................................... 42. Elemente teoretice utilizate n cadrul proiectului............................................................... 4

2.1. Determinarea diagramei indicate ............................................................................... 42.1.1. Parametri constructivi ........................................................................................5

2.1.2. Parametri functionali ..........................................................................................52.1.3. Indici tehnico-economici.................................................................................... 62.1.4. Indici de perfeciune........................................................................................... 62.1.5. Alegerea parametrilor......................................................................................... 6

2.2. Caculul dinamic..........................................................................................................62.2.1. Alegerea parametrilor la calculul dinamic ......................................................... 8

2.3. Proiectarea bolului .................................................................................................... 82.3.1. Calculul bolului................................................................................................. 92.3.2. Presiunea de contact ......................................................................................... 102.3.3. Verificarea la ncovoiere .................................................................................. 102.3.4. Verificarea la forfecare.....................................................................................10

2.3.5. Calculul de ovalizare........................................................................................102.3.6. Calculul jocului la montaj ................................................................................ 102.3.7. Alegerea parametrilor la bol............................................................................ 11

2.4. Proiectarea pistonului............................................................................................... 112.4.1. Funciunile pistonului.......................................................................................112.4.2. Principii de baz ale proiectrii pistonului....................................................... 112.4.3. Calculul pistonului ........................................................................................... 16

2.4.3.1. Alegerea dimensiunilori ipoteze de ncrcare................................................... 162.4.3.2. Calculul capului pistonului .................................................................................. 16

2.4.3.3. Calculul zonei port-segmeni ....................................................................... 162.4.3.4. Calculul mantalei pistonului ........................................................................ 172.4.3.5. Calculul umerilor pistonului ........................................................................ 17

2.5. Proiectarea segmenilor ............................................................................................ 172.5.1. Principii de proiectare ......................................................................................172.5.2. Calculul segmenilor ........................................................................................19

2.6. Proiectarea bielei ...................................................................................................... 192.6.1. Piciorul bielei ................................................................................................... 192.6.2. Corpul bielei..................................................................................................... 202.6.3. Capul bielei ...................................................................................................... 202.6.4. uruburile de biel ........................................................................................... 202.6.5. Calculul bielei .................................................................................................. 21

2.6.5.1. Calculul piciorului bielei ............................................................................. 212.6.6. Calculul corpului bielei ....................................................................................222.6.7. Calculul capului bielei...................................................................................... 232.6.8. Calculul uruburilor de biel ............................................................................ 242.6.9. Alegerea dimensiunilor .................................................................................... 24

2.7. Proiectarea arborelui cotit ........................................................................................242.7.1. Verificarea fusurilor la presiune i la nclzire ................................................ 262.7.2. Verificarea la oboseal .....................................................................................262.7.2.1. Verificarea fusurilor paliere ........................................................................ 262.7.2.2. Verificarea fusurilor manetoane .................................................................. 272.7.2.3. Verificarea braelor......................................................................................27

2.7.3. Alegerea dimensiunilor .................................................................................... 273. Exemplu de calcul ............................................................................................................28

2

8/7/2019 lucrarediz

3/52

3.1. Tema de proiect........................................................................................................ 283.2. Calculul termic ......................................................................................................... 31

3.2.1. Datele de intrare ............................................................................................... 313.2.2. Rezultatele arderii ............................................................................................ 32

3.3. Calculul dinamic ...................................................................................................... 34

3.4. Proiectarea bolului .................................................................................................. 353.4.1. Date de intrare .................................................................................................. 353.4.2. Rezultate........................................................................................................... 37

3.5. Proiectarea pistonului............................................................................................... 373.5.1. Date de intrare .................................................................................................. 373.5.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 383.5.3. Vizualizarea formei brute a pistonului .............................................................39

3.6. Proiectarea segmenilor ............................................................................................ 413.6.1. Date de intrare .................................................................................................. 41

3.7. Proiectarea bielei ...................................................................................................... 433.7.1. Date de intrare .................................................................................................. 43

3.7.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 443.7.3. Vizualizarea formei brute a bielei .................................................................... 45

3.8. Proiectarea arborelui cotit ........................................................................................463.8.1. Date de intrare .................................................................................................. 463.8.2. Rezultate de calcul ........................................................................................... 493.8.3. Vizualizarea formei brute a arborelui cotit....................................................... 51

3

8/7/2019 lucrarediz

4/52

1. Introducere

Proiectarea motoarelor cu ardere intern se face n mai multe etape succesive:evaluarea dimensiunilor fundamentale ale motorului prin descrierea unei diagrameindicate cu ajutorul unor mrimi determinate statistic, urmate de stabilirea dimensiunilor

pieselor echipajului mobil, tot cu elemente statistice. Cu ajutorul acestor elementegeometrice i cu propietile materialului ales pentru acesta se determin eforturile ideformaiile din piese. Prin modificarea materialului sau a dimensiunilor se urmretencadrarea eforturilor sau deformaiilor n limitele stabilite prin date statistce. Dupncadrarea acestora se trece la proiectarea final a geometriei pieselor respective prinadugarea suplimentar de elemente geometrice, care nu iau parte la calculul de rezisten

propriu-zis. Aceste etape se pot face iterativ, n mai multe etape succesive, pentru a obineo variant optim ntre forma geometrici calculele de rezisten.

n prezenta lucrare se propune un sistem integrat de calculi modelare a pieselor unui

motor cu ardere intern, folosind principiile utilizate la proiectul de motoare. Ipotezele idatele de proiectare utilizate sunt cele predate la cursul de motoare i prezentate n

bibliografie.

2. Elemente teoretice utilizate n cadrul proiectului

2.1. Determinarea diagramei indicate

Calculul se face pentru un ciclu semireal, din care prin rotunjiri se obtine diagramaindicat real. Ipotezele de baz simplificatoare necesare pentru efectuarea calculului sunt:

n cilindrul motorului evolueaz un amestec omogen de gaze perfecte; procesul de evacuare decurge la presiune constant; procesul de admisie decurge la presiune constant ; nceputul admisiei coincide cu nceputul cursei de admisie; perioada de suprapunere a deschiderii supapelor este nul; supapa de evacuare se deschide n PME, evacuarea liber fiind nlocuit de

rcirea izocor; ncrctura proaspt se nclzeste n contact cu piesele mai calde ale

motorului; la nceputul cursei de admisie n cilindrul motorului se afl gaze arse reziduale,

iar la finele cursei de admisie n cilindru se gsete amestecul iniial; comprimarea i destinderea se consider evoluii politropice de exponenii mc

i md; doza de combustibil pe ciclu se consider un kg.

Diagrama indicat are drept scop definirea dimensiunilor fundamentale ale motoruluii indiciilor de perfeciune ale motorului. Din punct de vedere al naturii lor se distingurmatoarele categorii de parametrii/indici:

o parametri constructivi care caracterizeaz construcia motorului si care ramanneschimbati pentru un motor dat;

o parametri funcionali care precizeaz regimul de functionare al motorului sise modific odat cu acesta n timpul functionrii;

o indici tehnico-economici care apreciaz calitatea procesului de transformare acldurii n lucru mecanic utilizabil, economicitatea motorului;

4

8/7/2019 lucrarediz

5/52

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

2.1.1.

2.1.2.

Parametri constructivi

Dimensiunile fundamentaleale unui motor sunt precizate de alezajul D, adicdiametrul nominal al cilindrului i cursa pistonului S, ambele exprimate n milimetri.Cilindreea Vs este definit ca volumul descris de piston ntre cele dou poziii extreme aledeplasrii sale care poart denumirea de PMI (punct mort interior) i PME (punct mortexterior). [ ]

Cilindreea total, Vt, a motorului va fi suma cilindreelor individuale ale i cilindrii.Volumul minim ocupat de gaze n cilindru poart denumirea de volumul camerei de

ardere i este notat cu Vc. Raportul dintre volumul maxim Va (reprezint suma dintrecilindreea unitar si volumul camerei de ardere) i volumul minim Vc exprim raportul decomprimare a crui valoare influeneaz randamentul termic al motorului [ ]. La motoarelecu aprindere prin scnteie raportul de comprimare este strns legat de rezistena la detonaie a

combustibilului. Pentru un combustibil dat, cresterea lui este posibil prin msuri menite sasigure o durat a arderii normale mai mic dect intrzierea la autoaprindere, preveninddetonaia. Asemenea msuri sunt: alegerea raional a camerei de ardere si a poziiei bujiei,reducerea diametrului cilindrului, antrennd scurtarea distanei de propagare a frontului deaprindere, creterea turaiei, ducnd la viteze de ardere mai mari, construirea pistonului ichiulasei din aliaje de aluminiu, care asigur un nivel de temperatur mai sczut dect fontaetc. La MAC, valoarea minim a raportului de comprimare trebuie s asigure condiiile deautoaprindere a combustibilului.[ 1]

Parametri functionali

Precizarea regimului de funcionare al unui motor reclam indicarea simultan a doiparametri: turaia i sarcina. Prin turaia n, se nelege numrul de rotaii efectuat de arborelecotit al motorului n unitatea de timp.

Sarcina reprezint un parametru care precizeaz gradul de ncrcare a motorului.Sarcina motorului poate fi apreciat pe baza lucrului mecanic produs pe un ciclu. Acest lucrumecanic poate fi evaluat pe diagrama de variaie a presiunii din cilindrul motorului, denumitdiagram indicat. Toate mrimile determinate pe baza acestei diagrame se definesc ca ataredrept mrimi indicate.

Lucrul mecanic indicat Li, este precizat de bucla pozitiv a diagramei indicate, buclanegativ reprezentnd lucrul mecanic al schimbului de gaze care este inclus n randamentulmecanic . Acest lucru mecanic indicat depinde de cilindree i nu poate servi drept criteriu de

comparare din punct de vedere al perfeciunii desfurrii ciclului motor. Astfel, prinraportarea acestuia la cilindree se obine o mrime care poart denumirea de presiune medieindicat, notat cu pi i care permite aprecierea perfeciunii ciclului i pe baza sa pot ficomparate motoarele ntre ele. Pe baza acestui parametru se poate determina puterea indicata motorului, Pi ce reprezint puterea produs la nivelul cilindrilor motorului

Puterea efectiv Pe, adic cea disponibil la flana arborelui cotit este mai micdatorit consumurilor interne ale motorului (putere consumat prin frecri i de antrenareamecanismelor auxiliare necesare funcionrii motorului, pentru efectuarea schimbrii gazeloretc.).[1 ] Raportul dintre puterea efectivi puterea indicat definete randamentul mecanicm. De asemenea n funcie de puterea efectiv se poate defini un alt parametru si anume

presiunea medie efectivpe.

5

8/7/2019 lucrarediz

6/52

2.1.3.

2.1.4.

2.1.5.

Indici tehnico-economici

Pe baza acestor indici este apreciat economicitatea motorului. Calitatea procesului detransformare a cldurii n lucru mecanic utilizabil este apreciat de valoarea randamentuluiefectiv al motorului e. Acesta este definit ca fiind raportul dintre lucrul mecanic utilizabil ienergia cheltuit pentru acest scop. Analog se poate defini randamentul indicat i ca fiind

raportul dintre lucrul mecanic produs si energia consumat n acest scop. Alti indici caredefinesc economicitatea motorul sunt consumul orar de combustibil, consumul indicat siconsumul efectiv de combustibil.

Indici de perfeciune

Indicii de pereciune apreciaz gradul de forare a motorului, sau de compactitate aconstructiei acestuia. [ 1]

La proiectarea unui motor nou se stabilesc performanele ce trebuie realizate, nfuncie de destinaia motorului i nivelul de dezvoltare atins pe plan mondial. Astfel, apare caraional s se determine calculul termic pornind de la puterea litric, Pl, pe care va trebui s o

realizeze noul motor. Aceasta reprezint raportul dintre puterea efectiv maximi cilindreeatotal a motorului.Viteza medie a pistonului wpm este acel parametru care apreciaz rapiditatea

motoarelor i constituie un criteriu de apreciere a uzurii acestora (cu ct viteza medie apistonului este mai mare cu att durabilitatea motorului este mai mic).

Alegerea parametrilor

Pornind de la datele iniiale (putere nominal, turaie, numr de cilindri, tip de motor)se alege din motoarele care se produc n lume un model care s aib o turaie apropiat demotorul dat i o putere pe cilindru relativ egal ( s se ncadreze n un intreval +-10%. ). Se varealiza un tabel cu aceste motoare i se va determina puterea litric medie. Cu o valoare

apropiat de aceasta se va porni calculul termic i cu datele statistice din [ 1], cu metodologiaprezentat n 3.2.1

2.2. Caculul dinamic

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.[4 ]

Asupra mecanismului biel-manivel, acioneaz forele date de presiunea gazelor dincilindru i forele de inerie ale maselor mecanismului aflate n micare. Forele de frecare vorfi considerate neglijabile. Forele de inerie sunt constituite din forele de inerie ale maseloraflate n micare alternativ de translaie i fore de inerie ale maselor aflate n micare derotaie .

Pentru calculul organelor mecanismului biel-manivel, al sarcinilor n lagre, pentrucercetarea oscilaiilor de torsiune, etc., trebuie determinate valorile maxime, minime i mediiale acestor fore. De aceea mrimile forelor se vor determina pentru o serie de poziiisuccesive ale mecanismului, funcie de unghiul de rotaie al arborelui cotit.

Pentru determinarea forelor din elementele mecanismului biel-manivel esterecomandabil s se nceap cu determinarea forelor care acioneaz dup axa cilindrului ,cercetnd separat forele de presiune a gazelori forele de inerie.[4 ]

a) Fora de presiune a gazelor

6

8/7/2019 lucrarediz

7/52

Presiunile gazelor din cilindru genereaz fora Fp aplicat pistonului dup axacilindrului. Variaia presiunii indicate a gazelor din cilindru n funcie de unghiul de rotaie aarborelui cotit s-a determinat la calculul termic, prin trasarea diagramei indicate desfurate.

b) Forele de inerie

Forele de inerie sunt produse de masele aflate n micare accelerati anume: pistonasamblat (piston, bol, segmeni, siguranele bolului), bieli arbore cotit.n funcie de felul micrii elementelor mecanismului motor distingem urmtoarele

tipuri de fore de inerie:-forele de inerie produse de masele elementelor aflate n micare de

translaie (Fitr) aceste fore sunt produse de masele pistonului asamblat (piston, segmeni,bol de bieli siguranele acestuia) i o parte din masa bielei i sunt considerate concentraten axa bolului.

-forele de inerie produse de masele neechilibrate ale elementelor aflate nmicare de rotaie (Fir) aceste fore sunt produse de o parte din masa bilei i masaneechilibrat a unui cot al arborelui cotit (masa manetonului i masele reduse ale celor dou

brae).[ ]c) Forele rezultante din mecanismul biel manivel

Prin nsumarea algebric a forelor de presiune a gazelorFgi forelor de inerie Fitr,determinate pentru diferite poziii ale manivelei, se obin valorile forei sumare careacioneaz n lungul axei cilindrului.

La motoarele n linie, cu mecanisme motoare normale axate rezultanta F admitecomponenta normal la axa cilindrului N i componenta K ce acioneaz dupa axa bielei.

Translatnd fora K in lungul bielei pn n articulaia cu manivela se precizeazcomponentele acestei fore aplicate arborelui cotit, adica o component radial Z dirijat dupaxa manivelei i o component tangenial T perpendicular pe axa manivelei.

Depinznd direct de F, forele N, K, Z i T sunt periodic variabile. Fora N pozitivdezvolt un moment ce tinde s roteasc motorul n sens opus sensului de rotaie al arboreluicotit, fora K pozitiv solicit biela la compresiune, fora Z pozitiv este dirijat ctre axa derotaie a arborelui cotit, iar fora T pozitiv produce un moment ce acioneaz n sensul derotaie al manivelei.[4]

d) Momentul motorMomentul motor total se obine prin nsumarea momentelor obinute pentru fiecare

cilindru al motorului innd cont de ordinea de funcionare a acestora i de configuraiaarborelui cotit. De asemenea, se poate obine suma momentelor ce acioneaz asupra fiecruifus palier al arborelui cotit.

Se stabilete variaia momentului motor total funcie de unghiul de rotaie a

arborelui cotit, precum i valoarea momentului mediu. Cu valoarea momentului mediu secalculeaz puterea dezvoltat de motor care se compar cu puterea obinut la calculul termic.Ca poziie de pornire (=0) se consider poziia corespunztoare p.m.s. a primului

cilindru, aflat la admisie.e) Forele care acioneaz asupra fusului arborelui cotit

Determinarea forelor care acioneaz asupra fusurilor arborelui cotit este necesarpentru dimensionarea corect a fusurilori lagrelor, n scopul de a evita nclzirea lagrelori a se asigura pelicula de ulei necesar ungerii acestora.

Se determin sarcina total care acioneaz asupra fusurilori lagrelor arborelui cotit,lundu-se n considerare toate forele care le solicit, respectiv fora de presiune a gazeloriforele de inerie.

Fora rezultant ce acioneaz asupra fusului, respectiv lagrului arborelui cotit sedetermin prin metoda diagramei polare.[4 ]

7

8/7/2019 lucrarediz

8/52

Pe baza diagramei polare se construiete diagrama de uzur. La baza construcieiacestei diagrame stau urmtoarele ipoteze:

- uzura este proporional cu rezultanta care acioneaz asupra fusului maneton;- forele care solicit la un moment dat fusul se distribuie pe suprafaa lui la 60o, de

ambele pri ale punctului de aplicaie.

Diagrama de uzur indic zona presiunilor cele mai reduse de pe fus i, deci loculunde trebuie prevzut gaura de ungere.

2.2.1. Alegerea parametrilor la calculul dinamic

n determinarea forelori momentelor din mecanismul mobil este necesar o evaluareiniial a maselor aflate n micare. Acestea sunt pistonul cu bolul i segmenii, care executo micare de translaie i biela care execut o micare de translaie (pentru circa 0,275 dinmasa sa i o micare de rotaie pentru restul). O evaluare a maselor se poate face cu tabelul[4 ]:

Tip motor Piston(Densitate aparent) Biela (masa sup. Piston)

MAS 0,5...1 0,09....0,2MAC 0,9...1,4 0,09...0,9

Densitatea aparent este raportul dintre masa pistonului i cubul alezajului (mp/D3). Astfelpentru un motor cu alezajul de 70 mm (0.7 dm) i o densitate aparent de 0.7 ar rezulta o masde 0.24 kg. La biela se face raportul cu suprafaa pistonului (g/mm2). Pentru acelai motor cuun raport de 0,15 masa ar fi 577g, respectiv 0.577kg. Cu acest tip de evaluri se pornetecalculul, dup care se va face o recalculare dup ce se determin masele exacte.

2.3. Proiectarea bolului

Proiectarea bolului trebuie s satisfac cerinele privind obinerea unei mase ct mai

reduse i o rigiditate suficient pentru funcionarea mecanismului motor. Se adopt formatubular n diferite variante funcie de tipul motorului i felul mbinrii cu biela i pistonul.

La motoarele de turaie ridicat pentru a se reduce valorile forei de inerie se adopt ogrosime minim a pereilor (25 mm). La MAC datorit turaiilor mai sczute i presiuniidin cilindri mai ridicat se adopt o grosime mai mare a peretelului bolului (813 mm).Bolul cu seciune constant este soluia tehnologic simpli aplicabilitatea cea mai larg.Pentru a se mri rigiditatea bolului acesta se confecioneaz sub forma unui solid de egalrezisten sau cu seciunea n trepte .

mbinarea bolului cu piciorul bielei i pistonul se poare realiza dup una din soluiile:- bol fix n piston i liber n piciorul bielei;- bol fix n piciorul bielei i liber n piston;

- bol flotant .Utilizarea primei soluii de montaj necesit asigurarea printr-un urub care strpunge

pereii locaului din piston precum i pe cei ai bolului sau presarea bolului n pistonulnclzit la 423 - 473 K. Soluia este punin utilizat datorit dezavantajelor pe care le prezint:concentrare de tensiuni la marginile gurii; mrete lungimea piciorului bielei; reducerigiditatea bolului i mrete masa mbinrii.

Soluia a doua de mbinare se realizeaz prin construcia bielei cu picior elastic sauprintr-un montaj cu strngerea piciorului bielei . Se nclzete la 510 ... 550 K. Montajul cubol fix n piciorul bielei permite reducerea lungimii piciorului bielei i a bolului. Deasemenea dezaxarea bielei se reduce la jumtate fa de montajul bolului flotant, ceea cedetermin reducerea uzurii i a nivelului de zgomot.

Asamblarea cu bol flotant prezint avantajul asigurrii unor uzuri minime i uniformeatt pe lungime ct i pe circumferin deoarece se micoreaz vitezele relative dintre

8

8/7/2019 lucrarediz

9/52

suprafee i permite realizarea unei rotaii complete a bolului dup un numr de cicluri.Deplasarea axial a bolului este nmpiedicat prin montarea a dou inele de sigura nlocauri speciale practicate n piston, ntruct inelele elastice ngreuneaz trecerea uleiuluispre zonele de ungere de pe suprafaa bolului n capetele lui. Se preseaz dopuri din materialemoi care nu produc uzuri cmii cilindrului.

Bolul trebuie s aib un miez tenace pentru a rezista la solicitri cu oc i o duritatemare a suprafeei exterioare pentru a rezista la uzur. Materialele care satisfac cel mai bineaceste condiii sunt oelurile carbon de calitate i oeluri aliate de cementare (Cr, Ni, Mo, V).Suprafaa bolului se cementeaz pe ntreaga lungime i pe adncime de 0,51,5 mm (Stratulsuperficial are o duritate de 5565 HRC iar miezul 3545 HRC).Tratamentul de cementare este o operaie scumpi se nlocuiete cu clirea superficial prinCIF, pe o adncime de 1,01,5 mm.Pentru a se asigura jocurile de montaj se impun condiii stricte privind precizia dimensionali de form ale bolului. Bolul se execut n cmpul de toleran corespunztor clasei 1 de

precizie. Abaterea de la forma cilindric se limiteaz la 2,53,0 mm iar a suprafeeiinterioare 3,26,3 mm.

2.3.1. Calculul bolului

Dimensiunile bolului se adopt se baza datelor statistice i se efectueaz calculele deverificare a rezistenei la uzur, a solicitrilor mecanice i a deformaiilor precum i

precizarea prin calcul a jocurilor de montaj. Schema de calcul este prezentat n Figur 1

Figur 1 Schema de calcul a bolului

ncrcrile sunt prezentate n Figur 2.

Figur 2 Schema de ncrcare a bolului

9

8/7/2019 lucrarediz

10/52

2.3.2.

2.3.3.

2.3.4.

2.3.5.

2.3.6.

Presiunea de contact

Rezistena la uzur poate fi apreciat dup mrimea valorilor presiunilor specifice npiciorul bielei (pb) i n umerii pistonului (pa).

1Valorile calculate pentru presiunile specifice nu trebuie s depeasc 2050 Mpa pentru piciorul bielei i 1535 MPa pentru locaurile din piston. Materialul bucei are o

rezisten la uzur superioar materialului pistonului, de asemenea ungerea bucei serealizeaz mai uor dect ungerea locaurilor din piston, de aceea lungimea bucei este maimic dect lungimea bozajelor

Verificarea la ncovoiere

Se determin tensiunea maxim determinat de momentul ncovoietor la mijloculbolului i a crei 2valoarea admisibil este de 250500 N/mm2 pentru oel aliat i de120150 N/mm2 pentru oel carbon.

De asemenea n cazul bolului flotant solicitarea variaz dup ciclu simetric, valoareaminim a acestuia trebuie s fie cuprins ntre 1,02,2. Pentru bolul fix n biel, ciclul este

asimetric, iar coeficientul de siguran trebuie s aib valoarea admisibil cuprins ntre 24.Se mai determin efortul unitar mediu (m) i amplitudinea eforturilor unitare (v )necesare pentru calculul coeficientului de siguran.

Verificarea la forfecare

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

Calculul de ovalizare

Pentru a se studia ovalizarea se consider bolul ca o grind curb n seciune

transversal ncrcat cu o sarcin distribuit sinusoidal (p = p0sin). Deoarece ipoteza nueste riguros exact, rezultatele se corecteaz prin majorarea forei Fcu un coeficient stabilitexperimental, k. Pentru calculul solicitrilor trebuie determinate ncrcrile dintr-o seciunelongitudinal oarecare. Se separ partea din fibra medie a grinzii de raza rm care preia sarcinasinusoidal [ v. p 312]; reaciunile din planul de separare sunt momentul ncovoietor M0ifora normal Fk/2.

Eforturile unitare de ncovoiere ntr-o seciune oarecare se calculeaz n fibrainterioar (i)_i n fibra exterioar (e).3 Valorile eforturilor unitare de ovalizare n seciunile caracteristice se obin dincondiiile = 00i = 900.

Eforturile unitare iau valori extreme n seciunile longitudinale, paralele cu planulcilindrilori normale pe planul cilindrilor. n seciunea =0, n fibra exterioar apar tensiuniunitare de ntindere iar n fibra interioar apar tensiuni unitare de compresiune. n seciunea=90 eforturile unitare n cele dou fibre schimb semnul. Valoarea admisibil pentrutensiunile unitare de ncovoiere este cuprins n intervalul 140300 N/mm2.

Deformaia maxim de ovalizare se produce ntr-un plan normal pe axa cilindrului.Se recomand ca deformaia de ovalizare s fie mai mic dect jocul radial la cald

'4.[2 ] 55.0 fb

Calculul jocului la montaj

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

10

8/7/2019 lucrarediz

11/52

Cnd bolul este flotant, la rece, ajustajul lui n locaurile din piston trebuie s fie custrngere. De aceea pentru a face posibil funcionarea la pornire bolul se monteaz cu joc n

piciorul bielei.n cazul n care bolul este fix n piciorul bielei funcionarea la pornire este posibil

numai dac bolul se monteaz cu joc n locaurile din piston, joc care n timpul funcionrii

se poate mri.Montajul dintre bol i piston cu ajutaj cu strngere se poate realiza prin 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 sunt confecionatedin acelai material. [2 ]

2.3.7.

2.4.1.

2.4.2.

Alegerea parametrilor la bol

La bol se aleg datele constructive i materialul (tabelul 5.4 , pag. 308 , [2 ]). Dateleraportate se introduc n program, vor fi transformate n dimensiuni i se vor calculaeforturile i deformaiile (cap 5, [2 ]). Dac apar coeficieni de siguran mai mici ca 1, se

vor modifica datele sau materialul pne se obine valori supraunitare.

2.4. Proiectarea pistonului

Funciunile pistonului

Pistonul este reperul mecanismului motor, care ndeplinete urmtoarele funcii:o transmite bielei,prin intermediul bolului, fora de presiune a gazelor;o transmite cilindrului reaciunea normal, produs de biel;o etaneaz, mpreun cu segmenii, camera de ardere;o

evacueaz o parte din cldura degajat n procesul de ardere;

o contribuie la dirijarea gazelor n cilindru;o are rolul de a asigura distribuia amestecului gazos, n cazul motorului n doi timpi;o n cazul motorului cu aprindere prin compresie, poate influena favorabil randamentul

arderii prin participarea sa la procesul de formare a amestecului;o conine, parial sau integral, camera de ardere;o mpreun cu segmenii i peretele cilindrului controleaz grosimea filmului de ulei i

deci consumul de ulei.

Principii de baz ale proiectrii pistonului

a) Capul pistonuluiPartea pistonului, care vine n contact cu gazele fierbini sub presiune, n timpul

funcionrii motorului, este capul acestuia. Profilul lui depinde de tipul motorului, dedispunerea supapelor i de arhitectura camerei de ardere. La motoarele cu aprindere prinscnteie se utilizeaz, n mod frecvent, pistonul cu capul plat, datorit simplitii constructivei suprafeei minime de schimb de cldur. Forma concav a capului pistonului apropiecamera de ardere de o semisfer. Pe de alt parte, forma bombat asigur o rezisten ridicatla solicitrile mecanice, dar determin o majorare a suprafeei de schimb de cldur. Lamotoarele convertibile m.a.s.- m.a.c., camera de ardere, poate fi realizat parial n capul

pistonului .Pistoanele motoarelor cu aprindere prin compresie, cu injecie direct, au n cap o

degajare al crui volum reprezint 20...30% din cel al camerei de ardere. La motoarele cu

11

8/7/2019 lucrarediz

12/52

injecie direct capul este prevzut cu o degajare, ce poate avea diferite forme n funcie departicularitile procedeului de formare a amestecului.

La motoarele cu aprindere prin compresie, puternic solicitate termic, n capul pistonului se prevede o inserie de font cenuie sau austenitic cu coeficient de dilatareapropiat de cel al aluminiului.

Armarea marginii superioare a camerei de ardere nltur neajunsurile pentru o duratlimitat de funcionare. Dup parcursulri de 300.000400.000 [km] se constat apariia defisuri n inserie i desprinderea de buci din aceasta. Materialul austenitic are o dilatare mairedus ca a aliajului de aluminiu, dar se nclzete mult mai puternic. Datorit deformaiilorremanente, dup o funcionare ndelungat, apare un volum gol ntre inserie i fundul

pistonului.Alte dezavantaje cauzate de folosirea inseriei sunt determinate de dificultatea

amplasrii unui canal de rcire ntr-o poziie eficient, precum i de creterea costurilor defabricaie i a greutii pistonului. [ 2]

b) Zona port-segmenti

Durabilitatea, sigurana n funcionare i economicitatea unui motor sunt influenate deperformanele ansamblului piston-segmeni.

Necesitatea de reducere a volumului constructiv al motorului i creterea puterii, prinmajorarea turaiei, au impus pistoanele mai scurte i mai uoare. Aceestea sunt capabile sasigure:

- jocuri mici ntre piston i cilindru;- diminuarea cantitii de gaze scpate n carter;- ungerea satisfctoare a suprafeelor n micare relativi un consum redus de ulei;- rezistene ridicate la solicitrile mecanice i termice.La reducerea nlimii constructive a pistonului, trebuie avut n vedere faptul c

temperatura n zona canalului segmentului nu poate depi 480 K, cnd se folosesc uleiurinormale, i 510 K cnd se utilizeaz uleiuri nalt aditivate.

Lungimea zonei port-segmeni este determinat de numrul segmenilor necesaripentru a asigura o bun etanare a camerei de ardere i un consum redus de ulei. Pentru ampiedica orientarea fluxului de cldur, de la capul pistonului ctre primul segment, canalulsegmentului de foc se plaseaz sub nivelul fundului pistonului. n acelai scop, se racordeazlarg, la interior, regiunea port-segment cu fundul pistonului.

Deoarece materialul din dreptul canalului primului segment i pierde mai uorduritatea i suport atacul agenilor corosivi, o soluie eficient de protejare a lui este cea autilizrii unei inserii de font, de forma unui inel, sau a unui disc inelar din oel.

Evaluarea temperaturii inseriei port-segment din font austenitic, i a regiunii

imediat nvecinate din piston, arat c aceasta, n zona canalului segmentului, este cuaproxinmativ 10 K mai redus ca cea a materialului de baz.Suprafaa frontal a inelului port-segment este retras fa de cea a pistonului, pentru a

evita contactul acestuia cu peretele cilindrului i din condiii tehnice de prelucrare. Pentrudiminuarea scprii de gaze muchia inferioar a canalului trebuie executat. O alt soluie

pentru reducerea gazelor sc pate este aceea a micorrii jocului funcional n zonasegmenilor. Astfel, prin diminuarea jocului de la 0,35 mm la 0,30 mm cantitatea de gazescpate poate fi redus cu aproximativ 30%. [ 2]

c) CapulpistonuluiCapul pistonului este solicitat mecanic i termic de gazele aflate sub presiune i la

temperatur ridicat.

12

8/7/2019 lucrarediz

13/52

Pentru a controla temperatura n zona canalului primului segment de compresiepistoanele, supuse unei solicitri termice nalte, sunt concepute cu o cavitate de rcire, princare circul ulei. Aceasta, n general, nu contribuie la diminuarea tensiunilor termice,deoarece n vecintatea ei se mrete gradientul de temperatur. De aceea, este necesar s seoptimizeze forma i poziia sa.

Evaluarea tensiunilor termice a artat c:- Odat cu creterea grosimii capului pistonului, tensiunile termice se majoreaz. De aceea,capul trebuie s se dimensioneze din condiia de a rezista forelor datorate presiunii gazelor.- n cavitatea de rcire pot apare eforturi nalte de margine, dac grosimea peretelui dintreaceasta i camera de ardere este prea mic. Valoarea de referin este, n acest caz,aproximativ 7% din diametrul pistonului.

n cazul n care cavitatea camerei de ardere este foarte adnc, marginea superioar aacesteia poate fi supus la solicitri critice. Datorit scurgerii accelerate a gazului, transferulde cldur, n aceast zon, este mare, dar evacuarea sa este stnjenit, ndeosebi la unghiurimici de deschidere a cavitii. Astfel se majoreaz temperatura muchiei superioare a camereide ardere, fapt ce determin o solicitare supraelastic a acesteia. La rcire, prin modificarea

sarcinii sau oprirea motorului, apar eforturi de ntindere. Dac acest proces se repet de multeori, aa cum se ntmpl la motoarele de autovehicule, pot s apar fisuri termice de oboseal.

Pentru a elimina dezavantajele menionate s-au aplicat, pe capul pistonului, cu ajutoruljetului de plasm, straturi metalice sau metaloceramice. n acest caz au aprut dou probleme:- depunerea stratului este dificil n zona muchiilor;- aderena este insuficient pentru anumite sorturi de materiale ceramice. [2 ]

d) Umerii pistonului

Datorit nlimii mici de compresie i cavitii camerei de ardere pistoanele motoarelor deautovehicule au spaiul interior redus. Astfel, distana dintre boli capul pistonului, denumiti lungime de dilatare, este prea mic pentru a permite execuia unui bosaj elastic, care s sesprijine prin nervuri, deoarece razele de racordare devin prea mici, iar concentratorii detensiuni mari. De aceea, pistoanele motoarelor pentru autovehicule se execut cu bosaje cusprijin masiv. Sprijinul masiv asigur o rigiditate nalt i evit deformarea sub acionareaforelor de presiune a gazelor. Pentru diminuarea deformaiilor pistonului, se caut soluii cares permit realizarea unei distane ct mai mici ntre bosaje. La bol se poate obine ombuntire prin mrirea diametrului su exterior.

Majorarea diametrului bolului nu este ntotdeauna posibil. n acest caz, realizareaunei biele cu piciorul teit i a unor umeri trapezoidali, reprezit o soluie interesanti deefect. Prin aceast construcie se mresc suprafeele portante ale lagrelor i se reduce

ncovoierea bolului. De asemenea, se obine o diminuare nsemnat a tensiunilor n toatepunctele critice. [ 2]

e) Mantaua pistonului

Mantaua pistonului are rolul de a transmite eforturile rezultante din mecanismul biel-manivel, ctre punctele cilindrului.

Calitatea de ghidare a pistonului, prin intermediul mantalei, este un elementdeterminant pentru urmtorii factori: fiabilitate; consum de ulei; reducerea zgomotului.

Ghidarea pistonului cu ajutorul mantalei, este funcie de: jocul dintre piston i cilindrui temperatura de funcionare; profilul fustei; materialul pistonului; poziia axelor; forma

cilindrului.

13

8/7/2019 lucrarediz

14/52

Fora normal este transmis cilindrului numai de o parte a suprafeei mantalei pistonului. De aceea, pentru reducerea masei pistonului se degaj zona corespunztoareunghiului complementar dup direcia axei bolului. Lungimea mantalei trebuie s fiesuficient pentru a asigura un bun ghidaj, presiuni laterale reduse (0,40,6 MPa) i a limita

bascularea. Pe de alt parte, ea nu trebuie s fie exagerat de mare, pentru a nu mri, n mod

inutil, nlimea motorului.Datorit dilatrii termice, a aciunii forelor de presiune a gazelori normal pistonulse deformeaz eliptic n aciune transversal (axa mare dup direcia bolului). Pentru acompensa aceast deformare, pistonul se execut sub form eliptic, n aciune transversal,cu axa mare a elipsei normal pe cea a alezajului pentru bol. La pistoanele motoarelor cuaprindere prin scnteie, pentru a reduce fluxul de cldur ctre manta, cu scopul diminurii

jocului dintre aceasta i cilindru, n ea se execut o decupare sub form de Tsau P imediatdup canalul pentru segmentul de ungere. Dezavantajul acestei soluii const n aceea cregiunea port-segment are un nivel ridicat de temperatur, iar pistonul, n ansamblu, origiditate sczut. Ultimul dezavantaj se elimin prin conceperea unor nervuri, care leagmantaua de capul pistonului.

Cerina de a realiza jocuri mici (0,080,10 mm), la montaj, ntre piston i cilindrupoate fi satisfcut prin introducerea n regiunea bosajelor pistonului a unor plcue de invar(oel aliat cu mult nichel) sau oel de calitate. Inseria de invar sau oel i aliajul de aluminiulucreaz ca o lam bimetalic, astfel nct, prin nclzire, sistemul se curbeaz foarte puin nsensul evazrii. Pistoanele astfel obinute se numesc autotermice. [2 ]

f) Efectele termice asupra pistonului

Obinerea unor performane ridicate la motoarele cu aprindere prin compresie estecondiionat i de valoarea jocului, la rece, dintre mantaua pistonului i cmaa cilindrului.Pentru ca jocul la rece s fie ct mai mic, iar zgomotul n timpul funcionrii ct mai redus,trebuie ca mantaua s se dilate puin.Acest deziderat este realizabil dac se reduce fluxul termic de la capul pistonului ctre manta.

Pe de alt parte, decisiv pentru funcionarea unui motor cu aprindre prin compresieeste temperatura pistonului n zona canalului segmentului de foc. Aceasta nu trebuie sdepeasc 450510 K, pentru a nu facilita cocsarea uleiului i griparea segmentului. Ladepirea unui maximum de temperatur pot apare fisuri termice, n capul pistonului, datoritsuprapunerii tensiunilor termice peste cele dinamice datorate presiunii gazelor. De aceea,trebuie ca valorile locale ale temperaturii s nu depeasc 630 K. Dar, mrimea tempereturiilocale a capului pistonului este influenat de forma camerei de ardere.

De asemenea, temperatura capului pistonului este influenat i de tipul aspiraiei.Astfel, creterea presiuni medii efective, de la 0,84 [MPa] la 1,43 [MPa], prin supraalimentare

fr rcire intermediar, atrage dup sine majorarea temperaturii muchiei camerei de ardere cu80K i cu 45K n zona canalului primului segment de compresie. Dac aerul desupraalimentare este supus unei rciri intermediare, de la 475 K la 380 K, aceste creteri detemperatur pot fi reduse la 43K n zona muchiei i la 27 K n regiunea nvecinat cusegmentul de foc.

Evacuarea cldurii din zona capului pistonului se poate realiza pe mai multe ci. Ceamai simpl este aceea care asigur rcirea forat a capului pistonului prin proiectarea unor

jeturi de ulei n capul lui. Uleiul necesar rcirii poate fi dirijat printr-o duz montat n piciorul bielei sau printr-un pulverizator plasat n apropierea rampei centrale de ungere.Soluia este aplicabil la pistoanele motoarelor cu putere specific de 3040[kW/dm2]. Eaasigur reducerea temperaturii la marginea camerei de ardere cu 35K (fig.8.24), n zona

atins de jetul de ulei cu 1014K, iar n partea opus jetului de ulei cu 37K.

14

8/7/2019 lucrarediz

15/52

Un grad mai nalt de rcire se realizeaz dac se practic n capul pistonului un canalde form circular (obinut cu ajutorul: miezurilor confecionate din amestecuri de srurisolubile n ap sau spum de grafit ce poate fi ars; locaului din tabl de oel, care se includen capul pistonului; prelucrrii prin strunjire i sudrii cu fascicul de electroni) prin carecircul uleiul sub presiune.

Poziia canalului de rcire influeneaz i ea temperatura capului pistonului. Astfel,prin plasarea, n raport cu poziia de referin, cu 12 mm mai sus a canalului de rcire, se potobine temperaturi mai joase cu 1525 K, la marginea camerei de ardere, i cu 310 K nzona canalului segmentului de foc, n condiiile majorrii, cu 38 K, a temperaturii uleiuluievacuat.

Temperatura capului pistonului este influenat i de debitul uleiului circulat princanalul de rcire

Pe de alt parte, temperatura capului pistonului este determinati de diametrul duzeipulverizatorului. [2 ]

g) Profilul pistonului

Soluiile constructive folosite la pistoanele motoarelor cu aprindere prin scnteie nu seutilizeaz la cele ale motoarelor cu aprindere prin compresie, deoarece conduc la obinereaunei rigiditi insuficiente i la o nclzire a regiunii port-segmeni.

Pentru a se obine o rigiditate maxim a pistonului, alezajele pentru bol se plaseaz lao distan ct mai mic de capul su.

Ca urmare a aciunii presiunii gazelori a nclzirii pistonul se deformeaz. Datoritcaracterului repartiiei fluxului termic, pistonul se va deforma neuniform. Pentru a realiza

jocuri uniforme ntre piston i cilindru, la diferite orizonturi, profilul longitudinal al pistonuluise poate realiza n diverse variante.

h) Materiale pentru pistoane

O alt soluie eficient pentru evacuarea cldurii din piston este cea a utilizrii unormateriale cu conductibilitate termic ridicat. Fa de condiiile de funcionare ale pistonului,aliajele de aluminiu sunt cele mai satisfctoare. Totui ele prezint dezavantajul, ncomparaie cu fonta, c au rezistena mecanic mai mic, coeficientul de dilatare mai ridicat icostul mai mare.

Aliajul de aluminiu pentru pistoane reprezint o combinare judicioas a elementelor dealiere principale (Si, Cu, Mg, Ni) cu elementele de aliere secundare (Fe, Ti, Mu, Zu), nvederea obinerii unui material care s satisfac condiiile impuse. Siliciul, cuprul imagneziul majoreaz rezistena la traciune a aliajului i reduc alungirea, iar nichelul mreterezistena la temperatur. Fierul formeaz cu aluminiul cristale dure rezistente la uzur, iar

titanul determin o cristalizare fin a aliajului. Manganul i zincul apar ca impuriti.Dup coninutul elementului de aliere de baz, aliajele de aluminiu pentru pistoane sempart n dou grupe: aliaje pe baz de siliciu (Al-Si-Mg-Ni- silumin) i aliaje pe baz decupru (Al-Cu-Ni-Mg- aliaje y). Dintre aliajele pe baz de siliciu, pentru pistoane se utilizeazcele eutectice i hipereutectice. Principalele caracteristici ale aliajelor de aluminiu pentru

pistoane sunt date n tabelul 8.4.Aliajele pe baz de siliciu posed coeficient de dilatare termic redus, care se

micoreaz pe msura creterii coninutului de siliciu. Aliajele hipereutectice corespund celmai bine cerinei de a avea un coeficient de dilatare ct mai apropiat de cel al cilindrului.Datorit acestui fapt jocurile la rece pot fi mai mici, din care cauz uzurile, ndeosebi alesegmenilor i ale canalelor, vor fi mai reduse. Majoritatea constructorilor utilizeaz aliaje

eutectice datorit dilatrii reduse a acestora i calitilor bune n ceea ce privete frecarea.Totodat aliajele eutectice sunt mai puin sensibile la formarea fisurilor.

15

8/7/2019 lucrarediz

16/52

Aliajele pe baz de cupru au coeficientul de dilatare cel mai mare, din care cauz pistoanele se prevd cu jocuri mrite, ceea ce favorizeaz intensificarea uzurilor grupuluipiston-segmeni-cilindru. Datorit proprietilor mecanice ridicate, aliajele pe baz de cupruse utilizeaz pentru execuia pistoanelor pentru motoarele cu aprindre prin compresie.

Pistoanele din font se ntlnesc mai rar n construcia motoarelor de automobile. Ele

au perei mai subiri i masa apropiat de cea a pistoanelor din aliaje de aluminiu. Se fabric prin turnare n nisip. Cele din aliaje de aluminiu se obin prin turnare n cochile sau prinmatriare.

Constructorii de pistoane i-au intensificat cercetrile n direcia gsirii unor noimateriale pentru pistoane, cu caliti tehnico-economice superioare. Astfel, ei studiaz n

prezent posibilitile de fabricare a pistoanelor din pulberi sinterizate.Pentru sporirea durabilitii pistoanelor, suprafaa exterioar se acoper cu straturi

protectoare, care au calitatea de a mri aderena uleiului la metal i de a mbuntii calitileantifriciune. n acest sens pistonul se acoper cu un strat de 530 [mm] de staniu, plumb,grafit, sau oxizi de aluminiu .[ 2]

2.4.3. Calculul pistonului

2.4.3.1. Alegerea dimensiunilori ipoteze de ncrcare

Dimensiunile pistonului vor fi alese din [ 2], capitolul 4.5.1 unde sunt prezentateraportat la alezaj. Determinarea eforturilori deformaiilor se va face cu expresiile matematice

prezentate n acelai capitol.

2.4.3.2. Calculul capului pistonului

Dup ce s-au adoptat principalele dimensiuni ale pistonului, capul i mantaua se supununui calcul de verificare. Profilul longitudinal i radial se traseaz n raport cu dilatrileadmise.

Capul pistonului se verific n ipoteza c acesta este o plac circular ncastrat pecontur, de grosime constant, ncrcat cu o sarcin uniform distribuit, dat de presiuneamaxim a gazelor din cilindru.

Se calculeaz eforturile unitare i tangeniale la marginea plcii i n centru.Solicitrile termice pot fi calculate presupunnd c grosimea este mic fa de raza plciiRi=Di/2, astfel nct s se neglijeze variaia axial a temperaturii; cmpul axial-simetriccaracteristic pistonului se reduce la o variaie a temperaturii numai dup direcia radial,determinnd o stare de temperaturi plan.

Pentru evaluare mai complet a solicitrilor termice se tine seama i de variaia axial

a temperaturii. Dac se admite c temperatura scade liniar cu T, se determin valoareaabsolut a eforturilor unitare dup orice direcie ntre fibrele superoari inferioar ale plcii.

2.4.3.3. Calculul zonei port-segmeni

Regiunea port-segmeni se verific la solicitarea de compresiune datorat presiniimaxime a gazelor. Seciunea periculoas este cea slbit de deschiderile prin care seevacueaz uleiul colectat de segmentul de ungere. Se va determina efortul unitar inndu-secont de aria seciunii periculoase. La motoarele rapide se verifici solicitarea de ntindere,ub aciunea forei maxime de inerie a masei din piston situat deasura seciunii periculoase.[ ]

16

8/7/2019 lucrarediz

17/52

2.4.3.4. Calculul mantalei pistonului

La mantaua pistonului se verific dac presiunea maxima pmmax, cu care fora normalo aplic pe cilindru nu depete limita admisibil peste care se apreciaz c pelicula de uleieste periclitat.

2.4.3.5. Calculul umerilor pistonuluiDac umerii pistonului nu sunt solidarizai prin nervuri cu suprafaa interioar a

pistonului, n zona de racordare cu aceast suprafat se verific solicitarea de forfecare.

2.5. Proiectarea segmenilor

2.5.1. Principii de proiectare

Segmenii au rolul de a realiza etanarea camerei de ardere, de a uniformiza peliculade ulei de pe oglinda cilindrului i de a transmite cilindrului o parte din cldura preluat de

piston de la gazele fierbini. Segmenii care mpiedic scparea gazelor din cilindru n carterul

motorului se numesc segmeni de compresie iar segmenii care distribuie uniform i eliminexcesul de ulei de pe suprafaa cilindrului se numesc segmeni de ungere.Soluiile care se adopt la proiectarea segmentului trebuie s in seama de cerinele

impuse de sigurana n funcionare, durabilitate, eficiena etanrii i preul de cost.Eficiena etanrii realizate de segment depinde de presiunea medie elastic (pe)

aplicat de acesta pe oglinda cilindrului n corelaie cu presiunea gazelor din spatelesegmentului. Elasticitatea segmentului se opune tendinei de ntrerupere a contactului

provocat de deformrile de montaj i termice, de uzura suferit de cilindru. Segmentul

exercit presiunea pe pe oglinda cilindrului numai dac este liber n canal, pentru a 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 i mretecoeficientul de transfer de cldur spre cmaa cilindrului. Valori prea ridicate ale presiunii

pot provoca uzuri importante ale segmentului i cmii.La proiectarea segmentului trebuie s se adopte o grosime radial de valoare redus

pentru a micora masa acestuia. Dac nu se pot utiliza materiale cu caliti elastice superioare,se vor adopta segmeni cu grosimi radiale mrite, ceea ce faciliteaz evacuarea cldurii de la

pistoane la cilindri i elimin vibraiile radiale. Mrirea grosimii radiale conduce la cretereatensiunilor de ncovoiere n seciune, de aceea se impune utilizarea unor materiale curezistena admisibil la ncovoiere ridicat.

Adoptarea grosimii axiale a segmentului trebuie s in seama de o serie de factori.Astfel, pentru a realiza a bun rcire a pistonului, segmentul trebuie s aib o grosime axialct mai mare. La motoarele de turaie ridicat creterea grosimii axiale determin cretereazonei portsegmeni a pistonului, cu efecte negative asupra masei ineriale ale acestuia, n pluscrete i masa segmentului i acesta intr uor n pulsaie i vibraie.

De aceea se recomand reducerea grosimii axiale a segmentului odat cu cretereaturaiei motorului.

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 segmeninu realizeaz sigurana n funcionare.

Numrul de segmeni poate fi mrit cnd se urmrete reducerea nivelului termic alpistonului.

17

8/7/2019 lucrarediz

18/52

Rolul principal n etanarea camerei de ardere o are primul segment, ceilali segmeniavnd o eficien mai redus. Se apreciaz c se realizeaz o etanare optim dac presiuneagazelor dup ultimul segement este de 34% din presiunea gazelor din camera de ardere, iarvolumul de gaze sc pate 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 aplici lamotoarele cu aprindere prin comprimare de turaie ridicat. n cazul M.A.C. de cilindree maredeoarece jocul ntre piston i cilindru este mare, se folosesc doi segmeni de ungere, dintrecare unul la partea inferioar a mantalei.

n ceea ce privete forma constructiv n prezent exist o mare varietate de tipuri.Segmentul cel mai simplu este cel cu seciunea dreptunghiular. Muchiile ascuite alesegmentului cur pelicula de ulei, iar perioada de rodaj este mare deoarece segmentul seaplic pe cmaa cilindrului cu toat grosimea axial. Primul dezavantaj se nltur prinracordarea muchiilor segmentului; al doilea dezavantaj se nltur dezvoltnd o presiunespecific mai mare pe suprafaa lateral. n acest scop se micoreaz nlimea de reazem a

segmentului pe cilindru. Pentru a reduce nlimea segmentului o prim soluie const nnclinarea suprafeei laterale cu un unghi de 25'45'. n acelai scop se prevede pe suprafaalateral o poriune cilindric de 0,40,8 [mm] i una nclinat cu 210o. Deschidereaunghiului este ndreptat totdeauna spre chiulas pentru a reduce consumul de ulei.

Realiznd teirea ambelor muchii ale segmentului se reduce nlimea de reazem i secreeaz efectul de pan la deplasarea segmentului n ambele sensuri; forma optim fiind datde segmentul bombat. Segmenii cu seciune nesimetric se numesc segmeni de torsiune saude rsucire.O soluie eficient contra blocrii segmentului n canal o constituie segmentul trapezoidalrealizat prin nclinarea feelor cu 5100 .

Durabilitatea segmenilor se mrete dac suprafaa lateral se acoper cu un stratprotector 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 suprafaasegmentului 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 poaterealiza prin utilizarea i la segmenii de compresie a unor expandori (P81, P82).

Segmenii de ungere se clasific n: segmeni cu seciune unitar sau neperforai isegmeni cu seciune perforat. Segmentul neperforat evacueaz o cantitate mai mic de ulei,segmenii se perforeaz cnd este necesar s se evacueze o cantitate sporit de ulei. Lasegmenii neperforai, suprafaa de reazem pe oglinda cilindrului se micoreaz prin

prelucrare conic sau teirea muchiilor la care se adaug degajarea pentru raclarea energic .La segmenii perforai nlimea de reazem se micoreaz prin practicarea unor degajri ireducerea adecvat a suprafeei de reazem. La aceti segmeni presiunea elastic are valoricuprinse ntre 0,140,70 [N/mm2].

Ca segmeni de ungere se folosesc i segmenii cu expandor. Expandorul este unelement elastic care se monteaz n spatele segmentului n canal. Expandorul contribuie lasporirea i uniformizarea presiunii elastice aplicate de segment pe oglinda cilindrului.Principalele perticulariti constructive sunt prezentate n figura 9.5.

Materialul pentru segmeni trebuie s posede urmtoarele proprieti: 1) caliti bunede alunecare; 2) duritate ridicat; 3) rezisten la coroziune; 4) rezisten mecanic ridicat latemperaturi ridicate; 5) modul de elasticitate superior la temperaturi mari; 6) caliti bune de

adaptabilitate la forma cilindrului.

18

8/7/2019 lucrarediz

19/52

Fonta cenuie constituie materialul care realizeaz un bun compromis ntre acestecerine. Se utilizeaz fonta cenuie cu grafit lamelar.

n unele cazuri cnd este necesar o rezisten mecanic ridicat se utilizeaz oelul.Aplicarea pe segment a unor straturi superficiale dure mrete rezistena la uzare, cromarea

poroas reduce uzura segmentului de 25 ori, i se aplic n general segmentului de foc.

2.5.2.

2.6.1.

Calculul segmenilor

Calculul segmentului urmrete urmtoarele obiective:1. S se stabileasc forma n stare liberi mrimea fantei astfel nct prin strngere

pe cilindru segmentul s dezvolte o repartiie de presiune determinat;2. S se stabileasc cele dou dimensiuni de baz ale segmentului,3. S se verifice ca tensiunile care apar n segment la deschiderea lui pentru montaj s

nu depeasc limita admisibil;4. S verifice fanta la cald pentru a preveni unirea capetelor n timpul funcionrii.

Alegerea dimensiunilor segmenilor se va face dup un tabel cu segmeni care exist nproducie. n general se folosesc segmeni standardizai.

2.6. Proiectarea bielei

Condiiile de solicitare la care este supus biela n funcionarea motorului, impun gsireaacelor soluii constructive ale bielei care s asigure o rezisten i o rigiditate maxim ncondiiile unei mase ct mai mici. n acest sens se constat o serie de tendine, care vizeazscurtare lungimii bielei, renunarea la buca de bronz din piciorul bielei prin utilizarea

bolurilor presate; nlocuirea bielelor forjate cu biele turnate din font maleabil sau nodular,utilizarea bielelor din materiale compozite.

La motoarele cu aprindere prin scnteie sunt preferate bielele scurte (r/l = 1/4...1/3) careofer o rigiditate satisfctoare, au o mas redusi determin diminuarea nlimii motorului.

Dezavantajele soluiei sunt: creterea uzurii cilindrului i creterea lungimii mantaleipistonului.n cazul motoarelor cu aprindere prin comprimare se utilizeaz biele lungi pentru

diminuarea valorii forei normale.

Piciorul bielei

La proiectarea piciorului bielei trebuie s se in seama de dimensiunile bolului i detipul mbinrii piston-bol-biel. Pentru corectarea masei bielei n partea superioar sau cealateral se prevede o proeminen. Rigidizarea piciorului bielei se realizeaz prin adoptarea deraze mari de racordare ntre acesta i corpul bielei sau se deplaseaz centrul gurii boluluifa de centrul piciorului .

n cazul montajelor cu bol fix n umerii pistonului i cu bol flotant uleiul pentruungerea cuplei bol piciorul bielei este colectat din ceaa din carterul motorului prinintermediul unui orificiu sau unei tieturi. Ungerea sub presiune a bolului presupuneaducerea uleiului printr-un canal care strbate corpul bielei. n cazul n care este necesar s seasigure rcirea capului pistonului se prevede n piciorul bielei un pulverizator iar bucatrebuie prevzut cu un canal colector.

mbinarea cu bol fix n biel utilizeaz ajustajul cu strngere, montajul fiind asiguratprin nclzirea bielei. Soluia de biel cu picior elastic este mai puin utilizat la motoarelepentru autovehicule.

La bolul flotant i bolul fix n umerii pistonului, n piciorul bielei se monteaz custrngere o buc din bronz.

19

8/7/2019 lucrarediz

20/52

2.6.2.

2.6.3.

2.6.4.

Corpul bielei

Pentru a se asigura un moment de inerie maxim att n planul de oscilaie ct i nplanul perpendicular pe acesta, seciunea transversal a corpului bielei se adopt n forma dedublu T.

n cazul ungerii sub presiune a bolului, corpul bielei este prevzut cu un canal. La

bielele lungi se poate utiliza o conduct prin care uleiul este transportat de la corpul bielei lapiciorul bielei.

Capul bielei

Capul bielei este secionat, capacul se separ de partea superioar a capului, dup unplan normal pe axa bielei sau dup un plan oblic, nclinat cu 45o mai rar cu30o sau 60o fa deplanul de ncastrare. Soluia se adopt pentru a permite trecerea capului bielei prin cilindru lamontaj.

n cazul separrii capacului dup un plan nclinat fa de axa bielei fora care supunebiela la ntinderea se descompune n dou componente, una axiali una 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 separaie;praguri ale capacului; buce de centraj; tifturi.

Pentru a se micora dimensiunile capului, distana dintre uruburi trebuie s fie ct maimic (grosimea minim a peretelui interior n dreptul gurii urubului finnd de 1,0...1,5 mm,iar grosimea peretelui exterior este de 2 mm).

Muchiile ascuite din partea superioar determin apariia ruperilor de aceea ele senlocuiesc cu racordri sau degajri.

La capacul bielei se prevd nervuri de rigidizare i un exces de material pentruajustarea masei bielei .

La motoarele cu cilindrii n V, dac bielele sunt montate alturat pe acelai maneton,

ele sunt identice i au capul asemntor cu cel al bielelor pentru motoarele n linie.n cazul soluiei de ambielaj furc, una din biele are capul n furc, iar cealalt, bielinferioar - are capul normal. Ambele biele lucreaz asupra aceleai buce.

La ambielajul articulat, biela 1 transmite micarea bielei mame 2. La aceast soluieconstructiv suprafaa portant a bielei se unge cu ulei sub presiune de la maneton.

La motoarele n V pentru autovehicule datorit simplitii constructive i de montajeste aplicat cu preponderen soluia cu biele alturate.

uruburile de biel

Pentru prinderea capacului se utilizeaz dou sau patru uruburi, din partea capaculuispre capul bielei. Utilizarea unoruruburi fr piulie face posibil micorarea dimensiunilor

capului de biel. n cazul adoptrii acestei, soluii pentru urub, se fileteaz gaura din parteasuperioar a capului bielei. O soluie comod o constituie folosirea unoruruburi prizoniere

prelucrate dintr-o bucat cu partea superioar a capului.Capul i corpul uruburilor de biel pot avea diverse forme constructive n funcie de

soluia adoptat pentru capul bielei.Materialele care rspund cerinelor impuse bielei sunt: oelurile de mbuntire cu

coninut mediu de carbon (0,35...0,45%) mrcile OLC 45 X, OLC 50 i oelurile aliatemrcile 40C 10, 41 MoC 11.

Biela poate fi fabricat i prin turnare din font maleabil perlitic tratattermic.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 bronzfosforos.

20

8/7/2019 lucrarediz

21/52

2.6.5. Calculul bielei

2.6.5.1. Calculul piciorului bielei

Dimensiunile caracteristice ale piciorului bielei se determin iniial pe baza datelorconstructive obinute prin metode statistice .

n timpul funcionrii, n piciorul bielei iau natere tensiuni determinate de:1. Solicitarea de ntindere produs de fora de inerie a grupului piston;2. Solicitarea de compresiune produs de rezultanta dat de fora de presiune a gazelori forade inerie;3. Solicitarea de fretare produs la presarea bucei sau a bolului n picior.

a)Solicitareadentindere

Fora de ntindere are valoarea maxim cnd fora datorat presiunii gazelor esteminim, deci cnd pistonul se afl la PMS la nceputul cursei de admisie.Tensiunile unitare produse de fora de ntindere se determin n urmtoarele ipoteze:a) piciorul bielei reprezint o grind curb ncastrat n zona de racordare a piciorului cucorpul bielei;

b) fora de ntindere este distribuit uniform pe jumtatea superioar a piciorului.n seciunea de ncastrare momentul ncovoietori fora normal solicit att piciorul

bielei ct i buca sau bolul presat, n aceste condiii se utilizeaz un coeficient deproporionalitate K.Se calculeaz tensiunile n seciunea de ncastrare A-A pentru fibra interioar respectivexterioar produse de fora de ntindere se calculeaz.Dac unghiul de ncastrare c 90, relaiile pentru momentul ncovoietori fora normal nseciunea de ncastrare devin:Momentul ncovoietorMo, fora normalNoi tensiunile n seciunea de ncastrare se calculeaz

cu relaiile determinate la analiza primului caz (Figur 3).

Figur 3 Schema de ncrcare a piciorului bielei la ntindere

21

8/7/2019 lucrarediz

22/52

b)Solicitareadecompresiune

Fora de compresiune are valoarea maxim cnd presiunea din cilindru are valoareamaxim.

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 cu corpul bielei;b) fora de compresiune este distribuit sinusoidal pe jumtatea inferioar a piciorului.

Valorile tensiunilor n seciunea de ncastrare determinate de fora de compresiune secalculeaz pentru fibra interioari cea exterioar.

Figur 4 Schema de ncrcare a piciorului bielei la comprimare

c)Solicitareadatorat presriibucein timpul funcionrii motorului la strngerea de montaj se adaug o solicitare

suplimentar de compresiune datorat dilatrii bucei de bronz.Se determin presiunea datorat strngerii. Valorile tensiunilor produse de presiunea pf

sunt:a) n fibra interioar:

b) n fibra exterioar:Coeficientul de siguran al piciorului bielei se calculeaz n ipoteza unei solicitri de obosealdup un ciclu simetric de ntindere - compresiune, pentru fibra exterioar n seciunea dencastrare.

Valorile coeficientului de siguran calculate trebuie s fie cuprinse n intervalul 25.Se determin de asemenea deformaia produs piciorului bielei sub aciunea forei de

inerie. La montajul cu bol liber n piciorul bielei pentru a se preveni griparea, deformaiaprodus de fora de inerie nu trebuie s depeasc jumtate din valoarea jocului de montaj.

2.6.6. Calculul corpului bielei

Corpul bielei se calculeaz la oboseal fiind supus la:- ntindere de fora de inerie maxim a maselor aflate n micare de translaie- la compresiune de rezultanta dintre fora maxim a gazelori fora de inerie.

Seciunea de calcul a corpului bielei depinde de forma acestuia. n cazul unei seciunitransversale constante sau uor variabile pe lungime, seciunea de calcul se alege la mijlocul

lungimii bielei; la o variaie mai pronunat a seciunii transversale, seciunea de calcul seadopt seciunea minim aflat sub piciorul bielei.

22

8/7/2019 lucrarediz

23/52

n cazul n care se adopt ca seciune de calcul seciunea median a corpului bielei,aceasta este solicitat la ntindere de fora de inerie a maselor ansamblului piston i a maseisituate deasupra ei. Se vor calcula tensiunile de ntindere n funcie de aria seciuni de calcul acorpului bielei.Corpul bielei este supus la compresiune asfel c se determin eforturile de compresiune i de

flambaj ( n planul de oscilaie i n planul de ncastrare)Valorile rezistenelor admisibile sunt de 160250 N/mm2 pentru biele din oel carboni 200300 N/mm2 pentru biele din oel aliat.Corpul bielei este supus la solicitri variabile, de ntindere i compresiune dup un ciclusimetric. Se determin coeficientul de siguran valoarea acestuia calculat pentru corpul bieleinu trebuie s fie inferioar coeficientului de siguran admisibil de 2,02,5.

2.6.7. Calculul capului bielei

Dimensiunile caracteristice ale capului bielei se deduc din dimensiunile fusuluimaneton.

Capul bielei se racordeaz cu raze mari la corpul bielei ceea ce face nensemnat

solicitarea de compresiune a acestuia (Figur 5).Solicitarea de ntindere se transmite numai capacului i este determinat de fora de

inerie a pieselor aflate n micare de translaie i de fora centrifug a masei bielei careefectueaz micarea de rotaie mai puin masa capacului bielei.

Calculul tensiunilor se realizeaz admind urmtoarele ipoteze:a) Capul bielei este o bar curb continu;

b) Seciunea cea mai solicitat este seciunea de ncastrarec) Capacul bilei are seciunea constant cu un diametru mediu egal cu distana dintre axeleuruburilor;d) Fora de ntindere este distribuit pe jumtatea inferioar a capacului dup o legesinusoidal ;e) Cuzinetul se deformeaz mpreun cu capacul i preia o parte din tensiuni proporional cumomentul de inerie al seciunii transversale.

Solicitarea capului bielei se desfoar dup un ciclu pulsator, coeficientul desiguran trebuie s aib valori cuprinse n intervalul 2,5 ...3,0.

Sub aciunea forei de inerie se produc deformaii n seciunea de separare a capaculuide corp.Valoarea deformaiei calculate nu trebuie s depeasc jumtate din jocul de montaj

D.

Figur 5 Schema de calcul pentru capul bielei

23

8/7/2019 lucrarediz

24/52

2.6.8.

2.6.9.

Calculul uruburilor de biel

uruburile de biel sunt solicitate de fora de strngere iniiali de fora de inerie amaselor n micare de translaie i a maselor n micare de rotaie care se afl deasupra

planului de separare dintre corp i capac.Verificarea la oboseal se face considerndu-se c ciclul de solicitare este ondulant

pozitiv sau pulsator.Se calculeaz eforturile maxime i minime. Coeficientul de siguran se determin pe

baza diagramei schematizate prin dou linii frnte a lui Serensen. Valorile coeficientului desiguran calculat trebuie s se ncadreze n intervalul 2,5...4,0. Valoarea obinut secorecteaz n conformitate cu normativele privind dimensiunile filetului.

Alegerea dimensiunilor

La biel deja este ales locaul bolului, astfel nct se va alege doar diametrul exterior alpiciorului. De asemenea se va alege i diametrul i lungimea manetonului din .[ 3] , pagina38, tabelul 8.4. Pentru corpul bielei seciunea n acesta este o figur asemenea n orice zon,

de aceea se va alege numai dimensiunea la cap i la picior. Restul de elemente se alegstatistic.

2.7. Proiectarea arborelui cotit

La proiectarea arborelui cotit se vor alege acele soluii care s asigure o rigiditatemaxim. 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. Rigiditateaarborelui cotit poate fi mbuntiti prin mrirea suprapunerii seciunilor fusurilor paliere imanetoane, zon cu cea mai ridicat concentrare de tensiuni.

Solicitarea cu fore variabile produce fenomenul de oboseal al arborelui cotit,periculos ndeosebi la trecerea de la fus la bra, deoarece trecerea reprezint un concentratorde tensiune. n scopul atenurii efectului de concentrare a tensiunilor, racordrile dintre fusurii brae se realizeaz cu raze ct mai mari, dup un arc de elips sau arc de parabol. Pentrumrirea suprafeei de sprijin a fusului racordarea se poate executa sub forma unui arc cu razevariabile .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 icu un diametru mai mare cu 8...15 mm dect diametrul fusului. Pragurile se racordeaz ctre

bra cu raze de 0,5...1,0 mm.Diametrul fusului maneton se stabilete n aa fel nct s se obin dimensiuni pentru

capul bielei care s permit trecerea acestuia prin alezajul cilindrului. De asemenea, diametrulfusului maneton trebuie s satisfac condiia ca viteza periferic s nu depeasc 11 m/s

pentru a se asigura o bun comportare a cuzineilor n exploatare.Reducerea greutii arborelui i a forelor centrifuge se poate obine prin utilizarea

fusurilor tubulare. Soluia asigur o mai bun distribuire a fluxului de fore, determinnd ocretere a rezistenei la ncovoiere i torsiune cu 2030% iar a rezistenei la oboseal cu pnla 100%.

Echilibrarea arborelui cotit i descrcarea lagrelor paliere se realizeaz prin aplicareade contragreuti n prelungirea braelor.

Contragreutile pot fi ataate prin intermediul uruburilor la arborii cotii forjai saupot fi ob

inute direct la turnarea arborelui cotit. Forma lor este foarte apropiat

de cea unui

sector de disc ntruct la un cuplu static mare prezint un moment de inerie mic.

24

8/7/2019 lucrarediz

25/52

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 a preveniiscurgerile de ulei. Captul posterior al arborelui cotit se proiecteaz ct mai scurt posibil i eltrebuie prevzut cu o flan pentru montarea volantului. Etanarea captului posterior se poaterealiza combinat prin inele deflectoare i manete de etanare din cauciuc sau psl. Deasemenea pentru a mbuntii etanarea pe ultima poriune a fusului se poate executa o

poriune de filet cu sens invers sensului de rotaie al arborelui.La proiectarea arborelui cotit, n funcie de turaia maxim se va dimensiona diametrul

suprafeei care vine n contact cu garnitura deoarece viteza periferic este un factor limitativn utilizarea diverselor garnituri de etanare. Garniturile de etanare din psl rezist pn laviteze periferice de 22 m/s, manoanele din cauciuc nitrilic pn la viteze periferice de 12 m/si temperaturi de 383 K; cele din cauciuc acrilic pn 20 m/s i temperatura de 423 K iar cel

din cauciuc siliconic pn la viteze de 35 m/s i temperatura de 453 K.La trasarea canalelor de ungere dintre fusurile paliere i manetoane se va evita planul

nclinat la 45o fa de planul cotului, deoarece n acest plan se produc tensiunile maxime detorsiune.

Condiiile tehnice impuse la proiectarea arborelui cotit trebuie s fie foarte severe, datfiind importana lui n funcionarea mecanismului motor. Abaterile de la limita impusgeometriei fusurilor condiioneaz durabilitatea cuzineilor, uzura fusurilor i n consecindurabilitatea arborelui. Toleranele privind poziia spaial se refer la concentricitateafusurilor i rectiliniaritatea axei arborelui cotit, care trebuie s fie n limitele 0,0250,035mm, precum i la neparalelismul axelor fusurilor paliere i manetoane care se admite de0,0150,050 mm/100 mm n planul perpendicular pe aceasta.

Toleranele la lungimea fusurilor paliere i manetoane se admit n limitele 0,150,35mm, iar pentru fusul palier de ghidare axial 0,050,15 mm.

Pentru a asigura rezistena la uzur, duritatea fusurilor trebuie s fie de 5265 HRC,iar adncimea stratului durificat de 2,54,5 mm. Calitatea suprafeelor fusurilor paliere imanetoane este legat de asigurarea rezistenei la oboseali de condiiile de uzur a fusurilori cuzineilor. De aceea rugozitatea suprafeelor fusurilor se limiteaz la 0,10,4mm.

Evitarea apariiei unor dezechilibre se realizeaz prin aplicarea echilibrrii dinamice aarborelui cotit, care const n a corecta masa arborelui astfel nct axa principal de inerie scoincid 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 cuaprindere 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 ceea ceconfer acestora o bun precizie micornd volumul prelucrrilor mecanice cu 25-30%.

Oelurile folosite pentru obinerea arborilor cotii sunt oeluri de mbuntire cu i frelemente de aliere. n mod obinuit se folosesc oeluri carbon de calitate OLC45 i OLC60.Pentru arborii cotii puternic solicitai se utilizeaz oeluri aliate cu Cr-Ni, Cr-Ni-Mo sau Cr-Mo.Schema de ncrcare a arborelui este prezentat n Figur 6.

25

8/7/2019 lucrarediz

26/52

Figur 6 Schema de ncrcare a arborelui

2.7.1.

2.7.2.

Verificarea fusurilor la presiune i lanclzire

Presiunea maxim pe orice fus al arborelui cotit se calculeaz n funcie dedimensiunile lui i de forma maxim care- l ncarc

Pentru a se preveni expulzarea peliculei dintre fusuri i cuzinei trebuie s le limitezepresiunea maxim pe fusuri.

Verificarea la oboseal

Calculul arborelui cotit ca o grind static nedeterminat implic dificulti. De aceeacalculul impune adoptarea unei scheme simplificate de ncrcare i deformare care considerarborele cotit ca o grind discontinu alctuit dintr-un numr de pri egal cu numrul

coturilor. Calculul se efectueaz pentru fiecare cot n parte n urmtoarele 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 egal cu suma

momentelor coturilor care preced cotul de calcul

2.7.2.1. Verificarea fusurilor paliere

26

8/7/2019 lucrarediz

27/52

Fusul palier este solicitat la torsiune i ncovoiere dup un ciclu asimetric. Deoarecelungimea fusurilor este redus, momentele ncovoietoare au valori mici i n aceste condiii serenun la verificarea la ncovoiere. Fusurile paliere dinspre partea anterioar a arborelui cotitsunt solicitate la momente de rsucire mai mici dect acelea care acioneaz n fusuriledinspre partea posterioar a arborelui i mai ales n fusul final, deoarece n aceasta se

nsumeaz momentele medii produse de fiecare cilindru. Calculul trebuie dezvoltat pentrufiecare fus n parte, ceea ce implic nsumarea momentelor de torsiune. Valorile calculatepentru coeficientul de siguran trebuie s fie superioare valorilor de 3...4 pentru MAS, 45pentru MAC i 23 pentru MAC supraalimentat.

2.7.2.2. Verificarea fusurilor manetoane

Fusul maneton este solicitat la ncovoiere i torsiune. Calculul se efectueaz pentru uncot care se sprijin pe dou reazeme i este ncrcat cu fore concentrate. Deoarece seciuneamomentelor maxime ale acestor solicitri nu coincide n timp, coeficientul de siguran sedetermin separat pentru ncovoiere i torsiune i apoi coeficientul 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 descompun dupdou direcii: una n planul cotului, cealalt tangenial la fusul maneton.

2.7.2.3. Verificarea braelor

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

2.7.3. Alegerea dimensiunilor

Dimensiunile arborelui se aleg din .[ 3] , pagina 38, tabelul 8.4. Deoarece se pot alege unnumr mai mare de date dect este necesar (de exemplu se aleg pasul ntre cilindrii, lungimea

palier i maneton i grosimea braelor, dar pasul ntre cilindrii este suma acestora), se voralege doar pasul ntre cilindrii , lungimea maneton i grosimea braelor, lungimea palieruluirezultnd. Dup fiecare modificare de dimensiuni este necesar rerularea programelorspecifice arborelui, forele i momentele depinznd de dimensiuni.

27

8/7/2019 lucrarediz

28/52

3. Exemplu de calcul

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

3.1. Tema de proiect

S se proiecteze un motor cu aprindere prin scnteie cu urmtoarele caracteristici: Putere nominal 55 kW Turaie nominal 5500 rpm Raport de comprimare 9.5 Numr de cilindrii 4 n linie Motor aspirat presiunea de aspiraie 0.09 Mpa.

Cu aceste date de intrare se pornete fiierul Excel.

Prima fereastr este cea de ntmpinare care prezint elementele programului:

Figur 7 Fereastra de ntmpinare

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

28

8/7/2019 lucrarediz

29/52

Figur 8 Alegerea modalitii de lucru

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

Figur 9 Indicaii privind ordinea de parcurgere a etapelor

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

29

8/7/2019 lucrarediz

30/52

Figur 10 Fereastra cu modulele programului

n aceast fereastr se poate alege oricare modul, cu observaia c cele anterioare aufost parcurse. De asemenea se poate reveni asupra unui modul, de exemplu dup terminareantregului proiect se poate reveni asupra estimrii maselor, se reface calcul dinamic, sereruleaz programele de arbore i rezult noii coeficieni de siguran.

Cu aceasta se pot introduce datele n fereastra de date iniiale:

Figur 11 Datele proiectului

30

8/7/2019 lucrarediz

31/52

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

3.2. Calculul termic

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

Figur 12 Formularul pentru datele necesare arderii

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

Figur 13 Fereastra cu rezultatele arderii

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

31

8/7/2019 lucrarediz

32/52

Figur 14 Exemplu de eroare de date

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

Figur 15 fereastr pentru modificarea datelor arderii

3.2.2. Rezultatele arderii

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

32

8/7/2019 lucrarediz

33/52

Figur 16 rezulatatele arderii

33

8/7/2019 lucrarediz

34/52

3.3. Calculul dinamic

Pentru realizarea calculului dinamic este necesar completarea datelor din formularulcorespunztor acestuia:

Figur 17 Formularul pentru calculul dinamic

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

Figur 18 Formular pentru vizualizarea graficelor forelor i momentelor

Spre exemplificare se prezint diagrama indicati momentul mediu al motorului.

34

8/7/2019 lucrarediz

35/52

Presiunea (MPA)

0.00

1.00

2.00

3.00

4.00

5.00

6.00

7.00

8.00

0.00 50.00 100.00 150.00 200.00 250.00 300.00 350.00 400.00 450.00

Volumul

Figur 19 Diagrama indicat

Mrez

-1500.00

-1000.00

-500.00

0.00

500.00

1000.00

1500.00

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Alfa

Nm Mrez

Figur 20 Momentul rezultant

3.4. Proiectarea bolului

3.4.1. Date de intrare

Pentru proiectarea bolului este necesar completarea urmtorului formular:

35

8/7/2019 lucrarediz

36/52

Figur 21 Formularul pentru boltPentru material se bifeaz unul din materialele predefinite.O prim variant de rezultate este prezentat n fereastra urmtoare:

Figur 22 Formular rezultate bolt

36

8/7/2019 lucrarediz

37/52

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

3.4.2. Rezultate

Rezultate bolt

d 24 mm

di 12 mm

l 72 mm

lbiela 24 mm

lpiston 23 mm

Coef sig

pa= 24.78 MPa 2.42

pb= 47.49 MPa 1.26

smax= 157.65 MPa 2.09

smin= -25.45 MPa

tmax 75.35 MPa 1.59

k= 1.485 admisibil coeficient

fb 5.22 zecimi 12.00 2.30

Verificarea la forfecare

Verificarea la deformatie

date geometrice

Rezultate eforturi

Presiunea de contact

Verificarea la incovoiere

Figur 23 Rezultate complete bolt

3.5. Proiectarea pistonului

3.5.1. Date de intrare

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

37

8/7/2019 lucrarediz

38/52

Figur 24 Formular de date iniiale piston

3.5.2. Rezultate de calcul

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

Figur 25 Rezultate preliminare piston

38

8/7/2019 lucrarediz

39/52

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

Figur 26 Rezultate finale piston

3.5.3. Vizualizarea formei brute a pistonului

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

Figur 27 Meniul principal

39

8/7/2019 lucrarediz

40/52

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

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

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

Figur 29 Prima variant grafic de piston

Pentru a reduce diametrul umerilor am modificat materialul crescnd efortul la forfecare. Deasemenea am marit putin i lungimea pistonului. Noua form a pistonului este prezentat mai

jos. Aceasta este forma brut, iar greutatea lui este 0,288 kg.

40

8/7/2019 lucrarediz

41/52

3.6. Proiectarea segmenilor

3.6.1.