MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ · 3 prof. univ. dr. ing. sĂrĂcin ion...

3

Prof. Univ. Dr. Ing. SĂRĂCIN ION

MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ

(NOTE de CURS)

2018

4

CUPRINS

1. Maşini electrice............................................................................5

2. Pompe şi motoare hidrostatice.....................................................31

3.Motoare termice..............................................................................57

3.10 Sistemul de alimentare........................................................104

3.11 Sistemul de aprindere.........................................................129

3.12 Sistemul de ungere..............................................................144

3.13 Sistemul de răcire................................................................148

3.14 Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor..............152

4.Transmisii folosite în construcţia bazei enetgetice

pentru agricultură..................................................................... ..158

4.3 Transmisii prin curele.............................................................161

4.3.4 Transmisii prin lanţuri ........................................................164

4.4 Transmisii cardanice.................................................................164

4.5 Ambreiajul principal .................................................................167

4.6 Cutia de viteze............................................................................169

4.7 Diferențialul................................................................................172

BIBLIOGRAFIE...........................................................................177

5

1. Maşini electrice

1.1 Definiţii. Clasificarea maşinilor electrice

Prin maşină electrică se înţelege un ansamblu de corpuri solide, în general

mobile relativ, în care se plasează un sistem de înfăşurări cuplate între ele electric,

magnetic, sau electric şi magnetic. Prin intermediul acestui ansamblu, energia

electrică trece în energie mecanică şi invers sau în energie electrică de altă

formă.[34].

După natura cuplajului se deosebesc: maşini electrostatice la care intervine

doar cuplajul electric al înfăşurărilor, maşini electromagnetice la care cuplajul

circuitelor este de natură magnetică, câmpul magnetic fiind produs de

electromagneţi şi maşini magneto-electrice caracterizate tot prin cuplajul magnetic

al înfăşurărilor, câmpul magnetic fiind produs prin intermediul magneţilor

permanenţi. Importanţă practică prezintă în primul rând maşinile de tip

electromagnetic.

După modul de transformare al energiei se disting maşini generatoare care

primesc energia sub formă mecanică şi o transmit exteriorului sub formă de energie

electromagnetică şi maşini motoare la care se inversează sensul de circulaţie al

energiei. Maşinile electrice de construcţie normală sunt cu partea mobilă rotitoare.

Dacă armăturile feromagnetice ce înglobează înfăşurările cuplate electric şi

magnetic sau numai magnetic sunt imobile, se obţine un caz limită de maşină

electrică, transformatorul electric, prin intermediul căruia se transformă tensiunea

şi intensitatea ce caracterizează energia electromagnetică, la aceeaşi frecvenţă.

După natura curentului ce străbate înfăşurările, maşinile electrice se împart

în maşini de curent alternativ (sincrone, asincrone sau fără colector), monofazate

sau polifazate şi maşini de curent continuu.

Din punct de vedere constructiv, la maşinile rotative normale se distinge o

armătură feromagnetică cilindrică fixă numită stator şi o armătură mobilă

concentrică numită rotor, plasată în interiorul statorului.

Spaţiul de aer dintre armături se numeşte întrefier şi se notează cu . În stator

şi în rotor de partea întrefierului sunt plasate o serie de conductoare

legate potrivit, numite înfăşurările maşinii. În cele ce urmează se notează cu A (a),

X (x), respectiv capetele de început şi sfârşit ale înfăşurărilor.[34]

Pentru a evita producerea unor importante pierderi prin histereză şi curenţi

turbionari, părţile feromagnetice în care câmpul magnetic variază în raport cu

timpul, se execută din tole de oţel electrotehnic izolate între ele; părţile

feromagnetice în care câmpul este constant se fac din tole sau masive (din fontă sau

oţel). Dacă întrefierul este constant, avem de-a face cu maşina cu poli plini sau

înecaţi (fig.1.1.), dacă pe periferia maşinii întrefierului este variabil maşina este de

tip cu poli aparenţi (fig.1.2.).

6

Fig.1.1. Maşina electrică cu poli înecaţi.[34]

Partea maşinii în care se produce câmpul de excitaţie (câmpul inductor), se

numeşte inductorul iar partea maşinii în care câmpul magnetic induce tensiuni

electrice, indusul. Rolul de inductor în poate juca atât statorul (fig.1.2.) cât şi rotorul.

Când înfăşurările maşinii sunt străbătute de curenţi, se stabileşte câmpul magnetic

rezultant al maşinii. Acesta se închide prin miezul feromagnetic stabilind pe

periferia maşinii în mod obişnuit consecutiv poli de polarităţi diferite.[4,27]

Fig.1.2. Maşina elecrică cu poli aparenţiă[4,27]

La curent debitat de maşină nul, maşina funcţionează în gol, iar la curent

diferit de zero, maşina funcţionează în sarcină.

Înfăşurările inductorului pot fi sub formă de bobine plasate pe poli

(înfăşurări concentrate – fig.1.2.) sau plasate în crestături practicate în miezul

feromagnetic (înfăşurări repartizate – fig.1.1.). Înfăşurările indusului la maşinile

actuale se aşează în crestături repartizate (fig.1.3.).

7

Fig.1.3. Rotor cu înfăşurări electrice repartizate[4]

În (fig.1.2.) linia întreruptă parcurge circuitul magnetic al unei maşini cu poli

aparenţi. Se disting în stator cei doi poli magnetici: polul nord N şi polul sus S, cu

înfăşurările concentrate de excitaţie. Prin S1, S2, S3 s-au notat respectiv jugul

statoric, Corpul polului şi talpa polară: K1, K2 sunt muchiile tălpii polare şi distanţa

dintre ele, arcul polar (lăţimea tălpii polare).

Prin R s-au notat rotorul. Pentru a se închide, se observă că liniile de câmp

magnetic străbat de două ori interfierul. De obicei maşinile electrice din motive de

optimizare se fac simetrice după două axe. Axa de simetrie ce trece prin mijlocul

unui pol se numeşte axa longitudinală (axa d); bisectoarea unghiului format de două

axe longitudinale se numeşte axa transversală (axa q) sau neutră. Distanţa pe

periferia indusului între două axe neutre consecutive se notează cu şi se numeşte

lungimea pasului polar. În general maşina se execută cu 2p poli şi dacă se notează

cu D diametrul indusului.

Dp2 (1.1)

Maşinile electrice se execută cu ax vertical sau cu ax orizontal, într-o gamă

mare de forme adecvate multiplelor şi variatelor domenii de utilizare, care să

permită şi protecţia lor şi a personalului care le deserveşte (maşini deschise,

protejate contra stropilor de apă, închise, capsulate, etc.), definite STAS.

1.2 Principiul de funcţionare al maşinilor electrice.

Reversibilitatea maşinilor electrice

Repartiţia câmpului magnetic inductor de-a lungul pasului polar depinde

de construcţia maşinii. La maşinile cu poli aparenţi curba de repartiţie a

componentei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar este de formă

dreptunghiulară-curbilinie (fig.1.4.), la maşinile cu poli plini de formă trapezoidal-

curbilinie. Din motive de optim se urmăreşte asigurarea unei repartiţii cât mai

apropiate de o sinusoidală, obţinută fie prin plasarea potrivită a înfăşurării de

excitaţie (la maşinile cu poli plini), fie prin variaţia interfierului sub talpa polară (la

maşinile cu poli aparenţi) aşa cum se indică prin linia întreruptă în (fig.1.4.).[4]

8

Fig.1.4. Variaţia întrefierului şi repartiţia câmpului magnetic inductor sub talpa

polară[4]

Fie a un conductor de lungime l, la distanţa x, ce se deplasează cu viteza v în

sensul indicat, faţă de un câmp magnetic de amplitudine B repartizat sinusoidal

(fig.1.5.).

Fig.1.5. Câmp magnetic cu repartiţie sinusoidală[4]

Tensiunea electromotoare indusă în conductor

v1Buxec

(1.2)

în care pentru repartiţia sinusoidală considerată, xsinBBx

.

Alegând originea timpului t=0 la trecerea conductorului prin punctul de câmp

nul (prin axa q), Dntvtx şi conform (1.1), ntp2x .

Înlocuind în (1.2), pnt2sinBlvuec

sau cum viteza unghiulară n2 ,

tpsinBlvuec

(1.3)

înlocuind pe uec de forma:

tsin2Uuecec

(1.4)

unde este pulsaţia, rezultă:

p (1.5)

9

Distanţa x parcursă de conductor în timpul t îi corespunde un unghi la centru

geometric, tg

; prin analogie unghiul fe

ce fixează valoarea tensiunii

induse se numeşte unghi electric. Avem evident:

gep (1.6)

Cum unghiul geometric dintre două axe d, q, consecutive este p2

2

2

1 , rezultă

conform (1.6) că unghiul lor electric este 2

x, se zice că axele sunt în cuadratură

electrică.

Dacă se înlocuieşte în (1.5), f2 şi n2 , rezultă:

pnf (1.7)

relaţie de bază ce leagă frecvenţa tensiunii induse de numărul de poli şi turaţia

maşinii.

Înseriind conductorul a cu un alt conductor b, plasat la distanţa de pasul

polar, astfel încât să formeze o spiră, prin parcurgerea lor în sensuri contrare, t.e.m.

la bornele spirei apare dublă faţă de tensiunea indusă într-un conductor (t.e.m.

induse în cele două conductoare sunt egale şi de semn contrar iar sensurile de

parcurgere ale conductoarelor sunt opuse).[4,13,36]

Dacă una sau mai multe spire înseriate suprapuse se aşează pe un rotor ce se

învârteşte între-un câmp magnetic constant şi se leagă electric capetele a, x, ale

înfăşurării la două inele colectoare pe care calcă un sistem de perii (fig.1.6.), se

obţine la perii o t.e.m. alternativă.

Fig.1.6. Legarea înfăşurărilor electrice la două inele colectoare[4,13]

Conectând la inele un consumator maşina debitează un curent alternativ,

funcţionând în regim de generator sau alternator monofazat. Dacă viteza de rotaţie

este constantă curba de variaţie în raport cu timpul a tensiunii electromotoare induse

repetă (rel.1.2) repartiţia spaţială a componentei radiale a inducţiei magnetice din

10

interfier; dacă această repartiţie este sinusoidală, t.e.m. indusă variază sinusoidal în

raport cu timpul.Dacă pe o pereche de poli se plasează m înfăşurări egale, decalate

cu unghiul la centrul mp

2, rezultă m t.e.m. induse defazate între ele cu

m

2rad.el.

Se obţine astfel o maşină m fazată. De regulă cele m înfăşurări se leagă în conexiune

stea sau poligon. La conexiunea stea capetele de sfârşit se leagă împreună

constituind punctul de “nul” al înfăşurării, la conexiunea poligon capătul de sfârşit

al unei înfăşurări se uneşte cu capătul de început al următoarei.. În mod obişnuit se

iau m=3 înfăşurări indicate simplificat în (fig.1.7.a) şi maşinile se numesc trifazate.

Prin săgeţi s-au indicat axele înfăşurărilor. Tensiunile trifazice sunt defazate între

ele simetric.[4,23,27,34]

Fig.1.7. Înfăsurările electrice ale maşinilor electrice trifazate[4]

În (fig.1.7.b) se indică curbele de variaţie în raport cu timpul ale t.e.m. induse

u1, u2, u3 în înfăşurări la o repartiţie sinusoidală a câmpului magnetic pe pasul

polar. Înfăşurarea trifazată se realizează atât în conexiune stea ca în (fig.1.8.a) cât şi

în conexiune triunghi ca în (fig.1.9.a).

Fi.1.8. Conexiunea stea a înfăşurărilor electrice[4]

11

Fig.1.9. Conexiunea triunghi

Când tensiunile variază sinusoidal în timp se pot reprezenta în complex. În

(fig.1.8.b şi 1.9.b) sunt indicate tensiunile de fază şi de linie pentru conexiunile stea

şi triunghi; se vede că între tensiunile de linie U1 şi de fază Ut există relaţiile

f1U3U la conexiunea stea şi

f1UU la conexiunea triunghi.

La conectarea unui consumator maşina debitează un curent alternativ trifazic

(m-fazic) funcţionând ca generator de curent alternativ trifazat (m-fazat).

Dacă capetele a, x ale înfăşurării din (fig.1.6.) se leagă la două lamele pe care

calcă două perii aşezate astfel ca în (fig.1.10.), t.e.m. culeasă la aceste perii va fi de

forma din figura 1.11.a (s-a considerat repartiţia câmpului inductor ca în fig.1.4.).

Fig.1.10. Legarea capetelor înfăşurării electrice la două semiinele colectoare

Într-adevăr la peria A vine întotdeauna conductorul plasat sub acelaşi pol,

deci în care t.e.m. indusă are în permanenţă acelaşi sens. La o înfăşurare formată din

mai multe grupuri de spire (bobine), înseriate prin lamele şi dispuse pe întreaga

periferie a maşinii, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, obţinându-se

astfel o tensiune practic continuă (fig.1.11.b).

12

Fig.1.11. Tensiunea electromotoare rezultantă

Ansamblul lamelelor constituie colectorul ce joacă rol de redresor mecanic.

La conectarea periilor pe un consumator, maşina funcţionează în regim de generator

de curent continuu.

Cuplul care se dezvoltă la funcţionarea în regim de generator a maşinilor

electrice, determinat de interacţiunea dintre câmpul conductor şi curentul indusului

este de frânare, opus cuplului de rotaţie aplicat la arborele maşinii. La funcţionarea

în regim de generator, puterea mecanică primită la arbore se transformă prin

intermediul câmpului electromagnetic al maşinii, în putere electrică ce se transmite

consumatorului conectat la bornele înfăşurării indusului.

Dacă înfăşurarea indusului se conectează la o reţea absorbind un curent

electric, din interacţiunea dintre curentul din indus şi câmpul inductor se stabileşte

un cuplu ce determină rotaţia maşinii. Puterea electrică primită de la reţea se

transformă în putere mecanică în baza căreia maşina este capabilă să antreneze în

mişcarea maşinii unelte, instalaţii complexe, etc. acesta este regimul de motor

electric al maşinii.

Toate maşinile electrice verifică principiul reversibilităţii, potrivit căruia pot

funcţiona atât în regim de motor cât şi de generator.

Transformatorul electric este un modificator static al puterii electrice

caracterizată prin anumite valori ale tensiunii şi intensităţii, tot în putere electrică la

alte valori ale tensiunii şi intensităţii, sub aceeaşi frecvenţă.[34]

1.3 Câmpul magnetic ale maşinilor electrice.

În studiul maşinilor electrice se neglijează câmpurile magnetice produse prin

intermediul variaţiei în raport cu timpul a câmpurilor electrice şi ecuaţiile ce

exprimă legea circuitului magnetic în formă integrală şi diferenţială devin

JHrot;dlHrr

(1.8)

în care solenaţia Jdlr

este integrală de suprafaţă a densităţii Jdlr

a

curentului de conducţie ce străbate o suprafaţă deschisă ce se sprijină pe curba

închisă .

13

După cum o înfăşurare este străbătută de curent continuu sau curent

alternativ, se obţine un câmp magnetic constant sau alternativ, fix faţă de înfăşurare,

de o repartiţie oarecare a componenţei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar

.

Alimentând în curent continuu prin intermediul inelelor o înfăşurare

plasată într-un rotor ce se roteşte, se obţine un câmp magnetic învârtitor pe cale

mecanică.

Dacă o înfăşurare m-fazată oarecare este străbătută de un sistem de curenţi

alternativi, se obţine de asemenea un câmp magnetic învârtitor, pe cale electrică de

amplitudine şi viteză în general variabile. Se presupune pentru simplificare că

circuitul magnetic este nesaturat şi repartiţia pe pasul polar a câmpurilor magnetice

create de înfăşurările de fază, parcurse de curenţi variabili oricum în timp, este

sinusoidală (dacă repartiţia este nesinusoidală, se ia în consideraţie doar armonica

fundamentală obţinută prin descompunerea în serie Fourier). Se consideră ca origine

a distanţelor măsurate pe periferia maşinii, punctul în care inducţia magnetică

produsă de înfăşurarea l trece prin zero. În acest caz se poate scrie pentru inducţia

Bl(x,t) a fazei l într-un punct x al periferiei maşinii, la un moment dat, în cazul

general al variaţiei oricum în raport cu timpul a curentului, xsin)t(B)t,x(Bll

, iar pentru inducţia magnetică produsă de faza în acelaşi punct

xsin)t(B)t,x(B .

- unghiul electric măsurat în radiani între axele înfăşurărilor l şi ;

Bl(t), B(t) – mărimi variabile în timp în cazul general.

Însumând contribuţiile tuturor fazelor în punctul x, se obţine câmpul

magnetic al unei înfăşurări polifazate.

)t(xsin)t(B)t,x(B)t,x(Bm

1i

(1.9)

Ecuaţia (1.9) reprezintă o undă învârtitoare de repartiţie sinusoidală, a

câmpului magnetic; amplitudinea şi viteza unghiulară sunt mărimi variabile în

timp.[4]

1.4 Maşina de curent continuu.

Maşina de curent continuu s-a impus faţă de maşinile de curent alternativ

prin posibilitatea reglării comode şi în limite largi a turaţiei; există în schimb

dezavantajul prezenţei colectorului ce limitează puterea ce se poate scoate din

maşină.[13,27,34]

Principiul de funcţionare a fost prezentat pe scurt în . Dacă în locul unei

singure spire se plasează pe rotor o înfăşurare de curent continuu cu legături scoase

la colector, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, cu atât mai mult cu

14

cât numărul de lamele ale colectorului între două perii consecutive este mai mare,

încât se obţine o tensiune practic continuă.

Regimurile posibile de funcţionare ale maşinii de curent continuu, sunt de

generator, motor şi frână electromagnetică, în raport cu sensul fluxului energiei.

Maşina de curent continuu este larg utilizată atât ca motor cât şi ca generator

şi se realizează pentru diverse puteri, tensiuni şi intensit.

După modul de colectare al înfăşurării de excitaţie a polilor principali,

maşinile de curent continuu pot fi cu excitaţie separată sau cu autoexcitaţie.

1.4.1 Elemente constructive de bază.

Maşina de curent continuu are două părţi principale:

- statorul, partea fixă, ce reprezintă inductorul maşinii;

- rotorul, partea mobilă sau partea indusă ce roteşte interiorul statorului.

Elementele statorului sunt: carcasa ce cuprinde jugul statoric, polii

principali şi auxiliari, scuturile, lagărele, colierul de susţinere a periilor.

Rotorul cuprinde miezul feromagnetic crestat pe care este plasată înfăşurarea

indusului, colectorul, arborele, ventilatorul.

Elementele constructive de bază:

Jugul statoric se realizează din fontă sau oţel. De el sunt fixaţi polii principali

pe care sunt plasate înfăşurările de excitaţie şi polii auxiliari cu înfăşurările de

comutaţie . Miezurile polilor se execută din tole de oţel electrotehnic strânse prin

nituri sau din oţel masiv. În tălpile polilor principali, uneori se practică crestături în

care se introduc conductoarele înfăşurării de compensaţie. .[13,27,34]

Rotorul este format din arborele pe care se fixează miezul indusului

prevăzut cu crestături deschise sau semideschise în care se plasează înfăşurarea

indusului legată la colectorul 8 prin intermediul steguleţelor . Miezul indusului se

face din tole de oţel electrotehnic de 0,5 mm. izolate între ele prin o peliculă de lac

sau un strat de oxid. Pentru îmbunătăţirea condiţiilor de răcire tolele se grupează în

pachete de 40-100 mm. între care se lasă canale radiale de ventilaţie de 8-10 mm.

Maşinile mici au un singur pachet de tole.

Tolele marginale se iau cu grosimea de 1 mm din motive de rezistenţă

mecanică. Colectorul este format din ansamblul lamelelor izolate între ele cu mică

sau micanită şi rigidizate din punct de vedere mecanic prin intermediul butucului

colectorului şi a inelului de strângere al vectorului . Sistemul lamelelor se izolează

de elementele de fixare prin cilindri şi conuri de micanită.

Mărimile nominale sunt cele corespunzătoare regimului de funcţionare al

maşinii şi sunt precizate pe plăcuţa maşinii. Pentru maşina de curent continuu se

nominalizează tensiunea la borne şi turaţia. Astfel (conform STAS) la generatoare

se nominalizează tensiunile de 115V, 230V, 460V iar la motoare tensiunile de 110V,

220V, 440V.

15

1.4.2 Generatorul de curent continuu

O maşină de curent continuu funcţionează ca generator când primeşte putere

mecanică la arbore şi cedează pe la borne putere electrică. .[13,27,34]

Din punct de vedere al excitaţiei se deosebesc: generatoare cu excitaţie

separată (fig.1.13.a) în care înfăşurarea de excitaţie este conectată la o sursă

exterioară de tensiune continuă şi generatoare cu autoexcitaţie care după modul de

legare la bornele maşinii a înfăşurărilor de excitaţie, pot fi cu excitaţie paralel

(fig1.13.b), serie (fig.1.13.c) şi mixtă (fig.1.13.d). După scopul urmărit se utilizează

şi generatoare ce prezintă atât înfăşurări de excitaţie paralel şi serie cât şi excitaţie

separată. Cel mai larg folosit este generatorul derivaţie.

Fig.1.13. Legarea la bornele maşinii electrice a înfăşurărilor elecrice de excitaţie

Puterea electrică de excitaţie este de ordinul câtorva procente (2-5%) din

puterea nominală a maşinii de curent continuu. Rezultă de aici că la maşinile cu

excitaţie paralel, I0 din înfăşurarea de excitaţie, reprezintă de asemenea câteva

procente din curentul principal al maşinii; pentru producerea solenaţiei de

magnetizare necesare, înfăşurarea de excitaţie se realizează din spire multe de

secţiune redusă şi are ca urmare, o rezistenţă importantă.

Fig.1.14. Schema generatorului electric cu excitaţie serie

Pentru ca să se poată stabili o tensiune la bornele generatoarelor cu

autoexcitaţie, trebuie ca în acestea să existe un câmp magnetic remanent. În câmpul

închis astfel format, condiţiile de autoexcitaţie sunt aceleaşi ca şi la generatorul

16

derivaţie: existenţa unui flux remanent, conectarea potrivită a înfăşurării de excitaţie

şi rezistenţa RS de o astfel de valoare încât cr0S

tgRRR .

Cum curentul de sarcină este şi curent de excitaţie, tensiunea la borne variază

în limite largi cu sarcina şi scade la 0 pentru scrS

RR , lăsând receptorul

nealimentat (fig.1.14.).[34]

Caracteristicile generatorului cu excitaţie mixtă

Schema generatorului cu excitaţie mixtă, este reprezentată în figura 1.15.

Generatorul prezintă două înfăşurări de excitaţie, una derivaţie (Ed) şi alta serie

(Ea). Dacă fluxurile înfăşurărilor Ed, Es, au acelaşi sens, generatorul este cu

excitaţie mixtă adiţională, altfel diferenţială.

De regulă înfăşurarea derivaţie este înfăşurarea de excitaţie de bază, iar prin

intermediul înfăşurării în serie, se corectează după voie alura caracteristicilor.

Interesează în primul rând, caracterizarea externă a generatorului mixt.

La mersul în gol maşina se comportă ca generatorul derivaţie, câmpul

magnetic fiind produs doar de înfăşurarea Ed. În sarcină înfăşurarea serie stabileşte

un câmp suplimentar, variabil cu sarcina şi prin aceasta se modifică tensiunea la

borne ce s-ar obţine cu un generator derivaţie.

Fig.1.15. Schema generatorului electric cu excitaţie mixtă

În figura 1.16 prin curba l s-a reprezentat caracteristica externă a unui

generator derivaţie. Dacă se urmăreşte ca şi la curentul nominal IN să se păstreze

tensiunea de la mersul în gol, înfăşurarea suplimentară serie se conectează adiţional

şi se dimensionează astfel, încât să compenseze căderile de tensiune determinate de

sarcină (curba 2). Se zice că generatorul este normal compundat.

Dacă se creşte ponderea înfăşurării serie, în sarcină lucrează demagnetizant

şi tensiunea cade repede (curba 4), generatorul este anticompundat. Pe această bază

se pot obţine generatoare cu o alură dorită a caracteristicii externe.[13]

17

Fig.1.16. Caracterisitica externă a generatorului electric în derivaţie[4]

1.5 Servomotoare electrice

În categoria servomotoarelor electrice sunt incluse motoarele de curent

continuu şi curent alternativ, care în sistemele de reglare automată joacă rol de

elemente de execuţie; la primirea unui semnal electric (la aplicarea unei tensiuni de

comandă), arborele servomotorului roteşte astfel încât să fie respectat procesul

tehnologic prescris. De regulă, semnalul de comandă este de putere mică, încât

alimentarea servomotorului SM (fig.1.17.) se asigură de la un amplificator de putere

A; prin intermediul unui reductor de turaţie servomotorul antrenează sarcina

S.[4,13,19,27,34].

Mărimea de ieşire e poate fi aplicată la intrarea în amplificator (direct sau

după o convertire convenabilă), ca o reacţie de control (de comparaţie cu mărimea

de comandă l).

Fig.1.17. Schema generală şi alimentarea servomotorului electric[34]

Ansamblul servomotor, reductor, sarcină şi elementul de amplificare (cu sau

fără reacţii), constituie un mecanism de execuţie sau servomacanism.

Capitolul de faţă tratează servomotoarele electrice din punct de vedere al

condiţiilor specifice în regim staţionar şi dinamic, pe care trebuie să le îndeplinească

în cadrul unui servomecanism.

Servomotoarele prezintă caracteristici diverse şi sunt de puteri, turaţii şi

frecvenţe variind în limite largi. În accepţia uzuală, termenul de servomotor priveşte

motoarele de putere mică (sub 1 Kw) din sistemele automate, la care este posibil

reglajul de turaţie. La puteri de ordinul waţilor şi sutelor de waţi sunt preferate

18

servomotoarele de curent alternativ, peste aceste puteri se utilizează servomotoarele

de curent continuu.

Condiţiile de funcţionare fiind altele decât pentru motoarele obişnuite

(trebuind să răspundă cu precizie la semnalul de comandă aplicat), ele necesită o

realizare tehnologică aparte. Se dă atenţie asigurării simetriei circuitului magnetic,

prelucrării suprafeţelor, asigurării rigidităţii mecanice mai ales la viteze ridicate

(servomotoarele pot lucra la viteze de până la 100.000 de rot/min), etc.

În calculele de proiectare având în vedere caracterul de masă al producţiei de

servomotoare, alături de caracteristicile funcţionale ce trebuiesc satisfăcute, se au în

vedere şi considerente economice (alegerea solicitărilor electromagnetice şi

soluţiilor constructive astfel, încât consumul de materiale active şi în consecinţă

preţul de cost, să fie redus).

Indiferent de tipul, de curent continuu sau curent alternativ, pentru o

funcţionare corespunzătoare, servomotorul trebuie să permită un reglaj în limite

largi şi stabil de turaţie, să dezvolte un cuplu de pornire cât mai mare posibil şi doar

în prezenţa semnalului de comandă, să aibă viteza mare de răspuns şi putere de

comandă redusă, caracteristici mecanice lineare, construcţie robustă, preţ de cost

redus, etc. Aceste criterii se au în vedere când se dimensionează sau se alege un

servomotor. Ele se caracterizează prin gabarite reduse şi o funcţionare sigură, în

schimb necesită o tehnologie de execuţie pretenţioasă.[4.34]

1.5.1 Ecuaţiile servomotoarelor de curent

continuu.

În cele ce urmează se au în vedere servomotoarele cu excitaţie separată, de

regulă utilizate în sistemele de reglare automată.

La aplicarea unui semnal de comandă, arborele servomotorului ia o anumită

turaţie sau, în sistemele de urmărire, ocupă o poziţie determinată. Tensiunea de

comandă poate fi aplicată fie în circuitul de excitaţie fie în circuitul indusului.

Ecuaţiile ce definesc comportarea în cazul general, sunt cele date de relaţii în care J

este momentul de inerţie rezultat la arborele servomotorului (determinat şi de părţile

în rotaţie ale reductorului şi sarcinii) iar F, coeficientului de frecări vâscoase,

condiţionat de frecările mecanice ce se produc în toate elementele în rotaţie din

sistemul format de servomotor, reductor şi sarcină.

1.6 Comanda prin circuitul indusului

Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele indusului,

tensiunea de excitaţie păstrându-se constantă.

Ecuaţiile ce definesc funcţionarea servomotorului în regim staţionar pentru

Ua=variabil, Uex=ct, au forma:

19

)10.1(aesho

eshoaa

IIKMM

IKMRIU

Întrucât )ctI(ctUeex , fluxul polar al maşinii se păstrează constant,

indiferent de sarcină (dacă se neglijează efectele reacţiei de indus) şi în consecinţă

ctKS , de o valoare corespunzătoare nivelului solicitării magnetice a maşinii.

Faptul că nu mai intervine nelinearitatea caracteristicii magnetica a maşinii, este

un argument major în vederea folosirii acestui procedeu de reglare în sistemele

automate.[13]

Eliminând curentul IS din (1.10) se obţine caracteristica mecanică

FUKMSM

(1.11)

în care mărimile constante

R

)KJeM(F,

R

KJeMK

2

hoho

M (1.12)

Considerând tensiunea indusului Ua parametrul variabil, se obţine o familie

de caracteristici mecanice M=f(n), (fig.1.21) de forma unor drepte paralele de panta

F’.

Fig.1.21. Caracteristica mecanică la variaţia tensiunii.[13]

Caracterul linear şi panta constantă a caracteristicilor mecanice, echidistante

la variaţia în trepte egale a tensiunii Ua, permit o funcţionare corespunzătoare a

servomotorului într-un sistem automat şi reprezintă principalele avantaje ale

comenzii prin circuitul indusului; dintre ele prezintă un interes în primul rând cea

corespunzătoare tensiunii maxime de comandă Ua max.

Pentru o valoare dată a tensiunii Ua caracteristica mecanică se trasează

identificând intersecţiile dreptei cu axele de coordonate. Pentru =0 rezultă cuplul

de pornire al servomotorului.

aMp

UKM (1.13)

20

Pentru M=0, se obţine viteza unghiulară maximă 0 a servomotorului

(corespunzătoare mersului în gol ideal)

a

M

0U

F

K

(1.14)

Din (2.13) se observă că între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă

există o relaţie de proporţionalitate şi pentru acest punct, servomotorul joacă rol de

traductor tensiune-cuplu. Pe această bază KM se defineşte coeficient de amplificare

tensiune-cuplu iar prin analogie, se numeşte coeficient de frecare vâscoasă

artificială.

Puterea utilă la arborele servomotorului este dată de relaţia:

)FUK(MPaMU

(1.15)

Se observă că pentru =0, =0, puterea utilă devine nulă. Ea trece prin maxim la

viteza unghiulară max (ce satisface ecuaţia 0d

dPu

), dată de relaţia:

0a

M

max2

1U

Fs

K

(1.16)

înlocuind se obţine

F

UK

4

1P

2

aM

maxu

(1.17)

În fig.1.22 este reprezentată familia de caracteristici fPu

jumătate din

viteza unghiulară 0 corespunde tensiunii Ua date şi scade repede cu Ua.

Fig.1.22. Familia caracteristicilor mecanice pentru diverse tensiuni.[13]

21

Pentru tensiunea de comandă maximă Ua max, trebuiesc precizaţi cuplul de

pornire Mp max, viteza unghiulară max şi puterea utilă Pu max, ce reprezintă

parametrii semnificativi funcţionării ca servomotor.[4,13,25,27]

La studiul regimului dinamic se consideră mărime de intrare tensiunea de

comandă ua şi de ieşire unghiului de poziţie al rotorului.

Ecuaţiile operaţionale deduse pentru condiţii iniţiale nule, capătă forma:

smssTFssiIKMsm

SsIKMSisTRSu

smaesho

esshoasa

1

18.11

în care ţinând cont că dt

d , s-a introdus (s)’s(s)

S-au notat

19.1F

JT

R

LT m

as

respectiv constanta de timp a înfăşurării indusului şi constanta mecanică de timp.

Ecuaţia pentru circuitul de excitaţie nu intervine, întrucât la Uex=ct corespunde şi

Ia=ct şi regimul se păstrează staţionar.

20.11

1sm

a

eshoaesho mssTFs

sTR

ssIKMsuIKM

şi ţinând cont de (2.12)

21.1111 amaaM sTsTFssmsTssFsIK

sau

22.11111

maaaaM sTsT

F

FsFsmsTsuK

Ecuaţiei (1.22) îi corespunde schema funcţională din fig 1.23 în care

servomotorul prin introducerea coeficientului KM joacă rol de traductor tensiune-

cuplu (conform relaţiei 1.13 care în regim dinamic capătă forma suKsmaMF

).

Fig.1.23. Schema funcţională a servomotorului electric cu traductor

tensiune-cuplu

22

Dacă se neglijează constanta de timp Ta a indusului, de regulă foarte mică,

faţă de constanta mecanică de timp Tm, schema funcţională capătă forma (fig. 1.24).

unde 23.1FF

FTT mm

este constanta electromagnetică echivalentă de timp.

Fig.1.24. Schema funcţională a servomotorului cu constantă electromecanică de

timp

În cazul particular ma=0 (La mersul în gol), rezultă funcţia de transfer a

sistemului.

24.11

1

m

m

a Tss

FFK

su

s

Introducând notaţiile de mai sus, schema funcţională capătă forma din fig.

1.23 în care dispare s de la numitorul fracţiei ce defineşte funcţia de transfer a

ultimului element al schemei şi ca element de ieşire se consideră (s).

Funcţia de transfer la ms=0, devine:

25.1

1111

11

ama

FM

ma

FM

a TF

FsTT

F

F

F

F

K

sTsTF

F

K

su

s

Întrucât coeficienţii ecuaţiei de la numitor sunt toţi pozitivi, funcţionarea este

stabilă. După cum rădăcinile ecuaţiei caracteristice sunt ambele negative sau

complex conjugate, viteza unghiulară va tinde către valoarea stabilizată respectiv

aperiodic sau prin oscilaţii amortizate. De regulă se urmăreşte eliminarea oscilaţiilor

din sistemul de reglare, încât constantele Ta, Tm trebuie să satisfacă inegalitatea:

26.1042

amsm TTTTF

F

Din (1.26) rezultă că Ta trebuie să fie pe cât posibil redus şi din acest motiv

uneori se procedează la înserierea cu circuitul indusului servomotorului, a unor

rezistenţe suplimentare.

În cazul simplificat al neglijării lui Ta funcţia de transfer devine

23

27.11

1

m

M

a Ts

FFK

su

s

Din ecuaţiile (1.27) şi (1.25), rezultă că din punct de vedere dinamic în

ipotezele simplificatoare admise, servomotorul se comportă ca un element inerţial

aperiodic sau un ansamblu de două elemente dintre care unul inerţial aperiodic şi

altul integrator, după cum mărimea de ieşire este viteza unghiulară sau unghiul de

poziţie al rotorului.

Viteza de răspuns este condiţionată de constanta de timp T’m<<Tm deoarece

de regulă F’>>F. În consecinţă, introducerea pe cale funcţională a coeficientului F’,

apare deosebit de avantajoasă pentru comportarea în regim dinamic a

servomotorului (astfel spus, înclinarea caracteristicii mecanice a servomotorului în

regim staţionar, este o măsură a comportării lui în regim dinamic). Coeficientul de

frecare vâscoasă artificială F’ poate fi stabilit de o valoare convenabilă conform

relaţiei 1.8. Trebuie observat că mărimea lui F’ este legată (conform relaţiei 1.27)

în care se face s=0 de o limitare a vitezei unghiulare staţionare ce se obţine la ieşire

corespunzător unei tensiuni de comandă dată.[5,13,19,25,27]

1.6.2 Comanda prin circuitul de excitaţie

Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele

înfăşurării de excitaţie şi se păstrează constantă tensiunea înfăşurării indusului.

Ecuaţiile regimului staţionar capătă forma

28.1aeahoeahoaa IIKMMIKMRIU

eeaeEex

IfKIKIRU

Un prim dezavantaj al metodei decurge din faptul că odată cu tensiunea de

comandă se modifică în limite largi şi fluxul polar şi ca urmare nivelul de saturaţie

al maşinii, încât trebuie luată în consideraţie şi ultima ecuaţie nelineară din (1.28).

Dacă se neglijează în prima aproximaţie saturaţia (se presupune Ka’ct),

eliminând curenţii Ia, Ie din sistemul 1.28 se obţine caracteristica mecanică M’f()

de forma:

29.1 exexM UFUKM

unde:

30.11

; 2

2

esho

ex

E

exahoM U

RRr

KMUF

RR

UKMK

Ecuaţia 1.29 pentru o tensiune de Uex dată, reprezintă o dreaptă de pantă F’

dependentă de mărimea tensiunii de comandă.

24

Familia de drepte paralele cu abscisa ce se obţine pentru diverşi Uex este

reprezentată în fig. 1.25. se observă că nu mai este posibilă răsturnarea reglajului,

în schimb caracteristicile au căpătat o formă rigidă (F’=0) ceea ce este dezavantajos

pentru regimul dinamic. În plus deoarece de fapt Ksct, nici în acest caz nu se

respectă proporţionalitatea între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă.

Fig.1.25. Familia de drepte paralele pentru Uex

Asigurarea condiţiei Ia=ct pentru diverse tensiuni de comandă Uex, se

realizează intercalând între sursă şi bornele indusului, o rezistenţă importantă în

serie, sensibil mai mare decât rezistenţa echivalentă pe care o poate prezenta la

borne servomotorul pentru tot domeniul posibil de funcţionare. Introducerea

rezistenţei suplimentare, determină pierderi importante de energie încât faptul că,

potrivit metodei, este necesară o putere de comandă redusă, nu mai reprezintă un

avantaj deosebit.

Regimul dinamic se analizează în ipoteza Ia=ct. Ecuaţiile operaţionale deduse

la considerarea ca mărimi de intrare respectiv de ieşire tensiunea uex şi unghiul de

poziţie al rotorului, pentru Ka=ct şi condiţiile iniţiale nule, capătă forma:

33.11

1

mssTFssiIKMsm

isTRsu

measho

eeEex

Eliminând curentul ie(s) şi ţinând cont de (1.32) se obţine:

34.1111 meseexM sTsTFssmsTsuK

şi corespunzător schema funcţională din fig.1.26.

25

Fig.1.26. Schema funcţională a servomotorului în regim dinamic

În (1.34) constanta de timp

E

a

eR

LT a circuitului de excitaţie este importantă

şi nu poate fi neglijată faţă de Tm. Se poate neglija însă produsul me

TT încât se

ajunge la schema funcţională simplificată din figura 1.27 în care:

35.1mem TTT

este constanta electromagnetică echivalentă de timp.

Fig.1.27. Schema funcţională a servomotorului cu constantă echivalentă de timp

La mersul în gol (me)=0, se obţine funcţia de transfer

36.11

1

m

M

ho Tss

FK

sM

s

Funcţia de transfer pentru me=0, ţinând cont de notaţiile introduse, capătă

forma:

37.11

1

11

1

sT

FK

sTsT

FK

su

s m

em

M

ex

Ecuaţiile (1.36), (1.37), ce definesc funcţiile de transfer, se obţin de formă

asemănătoare celor corespunzătoare aplicării tensiunii de comandă pe circuitul

indusului. Absenţa coeficientului de frecare vâscoasă artificială F’ şi introducerea

în acelaşi timp a constantei de timp Te de valoare mare, conduc aşa cum rezultă din

compararea relaţiilor (1.23), (1.35), la o constantă de timp echivalentă Tm’’>Tm’ şi

în consecinţă viteza de răspuns a servomotorului comandat prin circuitul de excitaţie

este relativ redusă. La acest dezavantaj se adaugă consumul de energie pe rezistenţa

suplimentară şi legătura nelineară şi neunivocă dintre fluxul polar şi curentul de

excitaţie, ce afectează nivelul preciziei comportării într-o schemă de reglare

automată.

Din aceste motive, în mod uzual se utilizează comanda prin circuitul

indusului, comanda prin excitaţie fiind aplicată numai la servomotoarele de mică

putere.[4,13,25,27,34]

26

Observaţii. Avantajele utilizării servomotoarelor de curent continuu, se

referă în principal la posibilitatea reglajului de turaţie relativ simplu şi stabil, în

limite largi, prin intermediul unor caracteristici mecanice practic lineare, la buna

comportare în regim dinamic mai ales a servomotoarelor în construcţie specială (cu

rotorul în formă de pahar şi rotor disc), la posibilitatea obţinerii unor dimensiuni de

gabarit reduse, etc.

Printre dezavantaje se înscriu prezenţa colectorului ce necesită o îngrijire

specială, posibilităţile mai restrânse de reglare la comanda prin circuitul de excitaţie,

imposibilitatea sesizării schimbării semnalului de comandă şi introducerea unor

caracteristici mecanice nelineare la servomotorul serie (din acest motiv puţin

folosit), existenţa periilor care provoacă o creştere nedorită a frecărilor, prezenţa

scânteilor la colector (sursă de paraziţi radiofonici), etc.

Faţă de maşinile de construcţie normală, servomotoarele de putere mare se

realizează întrucâtva diferit. În vederea obţinerii unei constante mecanice de timp

Tm cât mai mici, se urmăreşte reducerea pe cât posibil a diametrului exterior al

rotorului. De asemenea pentru a putea prelua şocurile de sarcină, se execută cu

arborele rotoric supradimensionat şi comutaţiei I se acordă o atenţie particulară (la

şocuri de curent de câteva ori curentul nominal, scânteierea la colector să fie

admisibilă) prin prevederea de poli auxiliari, înfăşurări de compensaţie, etc.

Având în vedere avantajele prezentate, servomotoarele de curent continuu

sunt larg folosite în schemele de reglare automată şi după calcule simple

38.12

1;

2

1eEleEd jUUUjUUU

În baza relaţiilor (1.38) se determină în mod simplu (conform diagramei

fazorile din fig. 1.28) tensiunile simetrice de succesiune directă şi inversă care

aplicată înfăşurărilor, determină funcţionarea din cazul real.

Fig.1.28. Detrminarea tensiunilor de succesiune directă şi inversă

În particular la înfăşurări E, c, identice, aplicarea sistemului direct de tensiuni

determină curenţi egali şi defazaţi cu 2

x prin cele două înfăşurări, încât la un

moment dat, contribuţia armonicii fundamentale din curba solenaţiei

corespunzătoare fiecărei înfăşurări într-un punct, la distanţa x pe periferia maşinii

de axa înfăşurării E, este:

27

39.18

sin2

sin,

sinsin,

xx

wttx

wttx

dd

dE

şi solenaţia rezultantă:

40.18

sin,

xwtfx dcE

Ecuaţia (1.40) reprezintă o undă învârtitoare şi determină ipotezele

simplificatoare admise într-un câmp magnetic învârtitor circular direct. În

consecinţă forma caracteristicii mecanice a servomotorului pentru sistemul direct de

tensiune Md=f(s), este similară celei corespunzătoare unei maşini polifazate

funcţionând simetric.[4,13,25,27,34]

Analog se obţine un câmp magnetic circular invers şi un cuplu invers Md=f(s)

la aplicarea sistemului invers de tensiuni.

În realitate pentru un sistem nesimetric de tensiuni UE, Ue ca în (fig.1.28),

41.128

sinsin,

sinsin,

xtfx

xttx

cc

EE

(1.41)

În întrefier se stabileşte un câmp magnetic învârtitor eliptic, rezultat prin

suprapunerea a două câmpuri magnetice circulare de amplitudini diferite, ce se

rotesc în sensuri opuse.

Cuplul motorului este dat de suma cuplurilor direct şi invers corespunzătoare.

Caracteristica mecanică rezultantă ie

MMM

este reprezentată în figura 1.29.

Fig.1.29. Caracteristica mecanică rezultantă

Pentru n=0 cuplurile direct şi invers au valorile:

42.12

2

iip

ddp

KUM

KUM

28

iar cuplul de pornire al servomotorului va fi:

43.122

idp UUKM

Dacă tensiunea de comandă este nulă, din (1.38) se obţine Ud=UI,

caracteristica mecanică devine cea a unei maşini de inducţie monofazate şi

corespunzător Mp=0. Rezultă că servomotorul bifazat porneşte doar la Ue0.

Pentru o funcţionare corespunzătoare în sistemul de reglare automată, trebuie

ca la dispariţia semnalului de comandă servomotorul să se oprească.

Cum se ştie însă maşina de inducţie în construcţie normală ce la un moment

dat devine alimentată monofazat (aşa cum devine servomotorul pentru Uc=0),

rămâne în turaţie dacă cuplul electromagnetic corespunzător funcţionării

monofazate, pozitiv pe o plajă largă de turaţii, depăşeşte cuplul rezistent de la

arbore. Pentru a evita această situaţie incompatibilă cu funcţionarea ca servomotor,

se măreşte sensibil rezistenţa rotorică astfel ca alunecarea critică să fie în jurul

valorilor sK=2-3. Pe această bază cuplul rezultant pe care îl dezvoltă maşina la

trecerea în funcţionarea monofazată devine negativ (de sens opus rotaţiei) până la

n=0 şi servomotorul se opreşte.

Un alt avantaj ce rezultă din mărirea rezistenţei circuitului rotoric este

apropierea de forma lineară a caracteristicilor mecanice Md, MI, M din figura 1.29

ale servomotorului bifazat.

În figura 1.30 s-au aproximat prin drepte în sistemul de axe (,M) pe

intervalul (-1, +1) caracteristicile mecanice Md=f(), MI=f(), corespunzătoare

succesiunilor directe şi inverse de tensiuni. Şi caracteristica rezultantă M=f(),

suma algebrică a cuplurilor direct şi invers, rezultă tot o dreaptă pe intervalul

considerat. Poziţia dreptei se precizează prin pantă şi ordonata la origine (ce

determină cuplul de pornire al servomotorului bifazat).

Fig.1.30. Cuplul de pornire al motorului trifazat

În figură, AB=2 Mpd A’B’=2Mp şi panta dreptei M=f() rezultantă are

forma:

29

44.12 11

pipd MMBAABF

sau conform (1.42)

45.122

1

idg UUK

F

Din figura 1.28 rezultă:

sinUU2UU4

1U

sinUU2UU4

1U

cE

2

c

2

E

2

c

cE

2

c

2

E

2

d

înlocuind în (1.45), (1.43) se obţine:

46.10sin;2

22

1

cEpcE UKUMUUK

F

Caracteristica mecanică

fM căutată este de forma

47.12

sin 22

1

cEcEp UUK

UKUFMM

Viteza de mers în gol ideală

48.1sin2

22

1

0

cE

cE

UU

CU

Dacă servomotorul este comandat astfel încât Uc=variabil, U=ct =ct

(comandă prin modificarea amplitudinii tensiunii U), cuplul de pornire variază

direct proporţional cu semnalul de comandă încât servomotorul bifazat poate fi

considerat ca un traductor tensiune-cuplu. Diversele trepte M=f() ce se obţin la

modificarea lui U sunt de pante diferite întrucât Fx=f(U), fig. 1.31 ceea ce

reprezintă o sursă nedorită de nelinearităţi.

30

Fig.1.31. Caracteristica mecanică pentru semnal maxim de comandă

Cu linie îngroşată s-a reprezentat caracteristica mecanică corespunzătoare

semnalului maxim de comandă Ucmax. Dacă servomotorul este comandat astfel ca

Uc=ct, U=ct, =variabil (comanda prin modificarea fazei tensiunii Uc), cuplul de

pornire se modifică după o lege sinusoidală cu defazajul . Dreptele M() pentru

diverşi rezultă paralele (de pantă Fx neschimbată). Deoarece pentru obţinerea lui

variabil sunt necesare instalaţii modificatoare de fază relativ scumpe, acest sistem

de comandă este mai rar utilizat. [19,22,27,34]

Indiferent de sistemul de reglare, caracteristicile de reglare, caracteristicile

mecanice M sunt drepte căzătoare, ce permit o funcţionare stabilă pe toată plaja de

viteză unghiulară (0, 0). Din (1.48) se vede că 0<1 şi atinge această valoare la

U=Uc şi 2

când sunt realizate condiţiile pentru câmp magnetic învârtitor

circular (când dispare cuplul invers, opus rotaţiei).

Funcţionarea în regim dinamic. Se are în vedere ecuaţia:

49.1sp mFdt

dJFMM

unde

sinKUK;UKMEMcMp

(se consideră comanda servomotorului prin

variaţia amplitudinii tensiunii U).

În forma operaţională

50.11 sMsTsFFsUK smcM

în care

51.1FF

JTm

este constanta electromecanică echivalentă de timp.

31

2.POMPE ŞI MOTOARE HIDROSTATICE

2.1 Generalităţi

În ultimele decenii acţionările hidraulice au cunoscut o dezvoltare

considerabilă, în cele mai variate domenii ale tehnicii, datorită unor avantaje

considerabile pe care aceste acţionări le au în comparaţie cu cele mecanice şi chiar

cu cele electrice, în unele privinţe. Astfel, acţionările hidraulice au în prezent o largă

utilizare în construcţia avioanelor, a rachetelor, a tehnicii militare, în construcţia

maşinilor unelte, a preselor, la extracţie, la maşinile de transport şi ridicat, la

excavatoare şi alte utilaje de construcţie, la automobile, tractoare, maşini agricole,

nave etc.[6,23,27]

2.2 Avantajele şi dezavantajele sistemelor de acţionare hidraulică

Unele dintre avantajele fundamentale ale sistemelor de acţionare hidraulică

îl constituie gabaritul şi greutatea redusă pe unitatea de putere.

Raportul dintre momentul de răsucire şi cel de inerţie al motorului hidraulic

are valori foarte ridicate, până la 1000 sau chiar mai mult, în timp ce la un motor

electric asincron acesta reprezintă doar o valoare de 4…6.

Motoarele hidraulice au, deci excepţionale calităţi dinamice: astfel, de

exemplu, timpul de accelerare, a unui motor hidraulic de putere 5…7 kW are

valoarea de 0,03…0,04s. Acelaşi avantaj îl prezintă şi pompele hidraulice, la care

variaţia debitului de la zero la valoarea maximă se poate realiza în 0,04s, iar

micşorarea acestuia de la valoarea maximă la zero, în timpul de 0,02s.

Alte avantaje ale sistemelor de acţionare hidraulică sunt:

-posibilităţi largi de acţionare a unor cicluri de funcţionare automatizate şi de

schimbare uşoară a caracteristicilor acelor cicluri.

-tehnologia de fabricaţie a elementelor sistemelor hidraulice este mai complicată

(toleranţe strânse şi complexitatea mare a formei geometrice).

2.3 Clasificări, noţiuni de bază, definiţii, terminologie, principiul de

funcţionare a sistemelor hidraulice

Acţionarea hidraulică poate fi definită ca un ansamblu de funcţiuni tehnice

prin care se realizează transmiterea de energie mecanică, de la un element

conducător la unul condus, cu ajutorul unui mediu hidraulic.

32

2.3.1 Clasificarea acţionărilor hidraulice

Acţionările hidraulice pot fi clasificate după mai multe criterii şi anume:

A) După principiul de funcţionare, în:

- sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrostatic (volumic), care au la

bază, în special, folosirea energiei potenţiale a lichidului, sub formă de

presiune hidrostatică;

- sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrodinamic, în care se dezvoltă

forţe produse de presiunea hidrodinamică;

- sisteme hidraulice de acţionare de tip alternativ (hidrostatic), la care

transmiterea energiei se face prin impulsuri.

B) După criteriul cinematic, în :

- sisteme hidraulice de acţionare cu mişcare de rotaţie;

- sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare de translaţie;

- sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare oscilantă.

C) După funcţia îndeplinită (destinaţie), în:

- transmisii hidraulice, ansamblu de funcţiuni care, cu ajutorul unui mediu

hidraulic, realizează transmiterea unei energii de lucru la organul activ al

maşinii;

- posibilitatea de reglare continuă a vitezelor organului de lucru în limite

largi şi după orice lege dorită, sau posibilitatea de menţinere constantă a

vitezei de lucru.

- Posibilitatea obţinerii unor forţe şi puteri de considerabile (de exemplu,

prese hidraulice cu o forţă de presare de peste 50 000 tone) şi uşurinţa

comenzilor acestor instalaţii uriaşe (se pot obţine coeficienţi de

amplificare de ordinul sutelor de mii).

- Obţinerea unor mişcări silenţioase şi stabile, uzuri minime ale

elementelor active, durata mare de funcţionare (10 000 de ore sub sarcină

pentru pompe şi motoare hidraulice) protecţia uşoară şi sigură împotriva

suprasarcinilor, controlul permanent asupra sarcinii, toate acestea fiind o

urmare a folosirii mediului hidraulic ca agent motor.

- Caracteristica mecanică rigidă, este în cazul ideal legătura dintre piston şi

cilindru umplut cu lichid putându-se considera de rigiditate infinită, în

timp ce legătura în câmp magnetic este mult mai elastică (în realitatea

trebuie remarcat că nici sistemul hidraulic nu este absolut rigid, datorită

compresibilităţii lichidului şi deformaţiei elastice a peretelui cilindru).

Spre deosebire de curentul electric, fluxul de lichid transportă căldura degajată ca

rezultat al pierderilor de energie din locul în care se degajă, ceea ce permite

micşorarea dimensională a elementelor pentru o anumită putere, sau mărimea puterii

raportată la unitatea de volum. [6,23,27]

- evacuarea căldurii se face uşor, folosind schimbătoare de căldură

amplasate în locuri comode.

Printre dezavantajele mai importante se pot cita:

33

- poluarea şi pierderi volumice de lichid de lucru, ceea ce favorizează

apariţia fenomenului de obliteraţie şi variaţie a vitezei organului de lucru.

Pierderi liniare şi locale de presiune proporţionale cu pătratul vitezei de

curgere a lichidului.

- comenzi hidraulice, către au ca scop transmiterea unor energii (impuls)

de comandă la un anumit element al transmisiei hidraulice.

D) După criteriul interdependenţei dintre sistemul de acţionare şi organul

acţionat, acţionările (transmisii sau comenzi) pot fi subîmpărţite în:

- autonome, (dirijarea mecanismului acţionat în mod independent de

evoluţia deplasării sale);

- aservite, (servoacţionări), care sunt influenţate de evoluţia mecanismului

acţionat sau de alte mecanisme ale maşinii.

2.4 Noţiuni de mecanica fluidelor

2.4.1Proprietăţile fizico-chimice ale lichidelor de lucru

Mediul hidraulic folosit în mod curent în sistemele de acţionare hidraulică

este uleiul mineral. În cazuri mai rare se folosesc şi alte medii ca, de exemplu,

lichide speciale (sintetice) din polimeri ai oxidului de siliciu sau compuşi pe bază

de eteri, care se caracterizează printr-o stabilitate a vâscozităţii (indice Dean Davis

ridicat) şi prin inerţie chimică. [31,36]

În acţionarea hidraulică pot fi utilizate uleiurile hidraulice H19, H35, H57

(STAS 9506-74) pentru solicitări uşoare şi uleiuri hidraulice aditivate H12, H20,

H30, H38, (STAS 9691-74) pentru presiuni de max 300 daN/cm2 şi temperaturi de

25-28C

Mediul hidraulic utilizat în unele cazuri în acţionare hidraulică la temperaturi

ridicate de funcţionare este metalul lichid deoarece în aceste cazuri nu rezistă nici

uleiurile minerale nici lichidele sintetice. Mai eficient pentru aceste scopuri este un

aliaj eutectoid compus din 77% Natriu şi 23% Kaliu, având un aspect argintiu

similar cu mercurul. Punctul de topire este de cca. - 12C şi cel de fierbere cca.

850C (la presiunea atmosferică). Alierea acestuia cu Cesiu reduce şi mai mult

punctul de topire.

Modulul de elasticitate volumică este de 5,2x104 la temperatura de 40 C.

Vâscozitatea acestuia variază între 1,0 şi 0,2cSt la temperaturi cuprinse între 1 şi

750C.

Dintre proprietăţile fizice cele mai importante, ale lichidelor folosite în

acţionarea hidraulică, se evidenţiază vâscozitatea şi compresibilitatea.

Compresibilitatea lichidului de lucru este un parametru important care

intervine în calculele sistemelor de acţionare hidraulică, mai ales la presiuni mari,

fiind exprimat printr-un coeficient de compresiune relativă sau prin modul de

elasticitate volumică.

34

2.4.2Principiul de funcţionare a sistemelor de acţionare hidraulică

Sistemele de acţionare hidrostatică au o largă răspândire în construcţia

maşinii datorită volumului redus şi greutăţii mici pe unitatea de putere, simplităţii

reglării continue a vitezelor, coeficientului mare de reducţie şi amplificare, gradului

ridicat de fiabilitate, simplităţii în deservire, randamentului superior, ,arii

universalităţi de utilizare şi uşurinţei în realizarea automatizării.

Un sistem de acţionare hidraulică are în componenţa sa o sumă de elemente

hidrostatice, asociate între ele într-o anumită ordine, subordonată scopului

funcţional al maşinii sau instalaţiei respective.

În cadrul acestui capitol se vor prezenta elementele componente principale

ale sistemului hidraulic: pompele şi motoarele hidrostatice.

Pompele şi motoarele hidrostatice (volumice) sunt transformatoarele de

energie: pompele transformă energia mecanică în presiune hidrostatică, iar

motoarele presiunea hidrostatică în energie mecanică.

Pompele şi motoarele hidrostatice (în special cele rotative) sunt, în

majoritatea cazurilor, reversibile, în sensul că pot îndeplinii funcţii de generator sau

motor, motiv pentru care vor fi tratate împreună; calculele statice, cinematice şi

dinamice sunt comune, urmând a se evidenţia, de la caz la caz, unele elemente

specifice.

În construcţia de maşini se utilizează pompe hidrostatice, care se deosebesc

substanţial de cele folosite în alte domenii, cum ar fi cele din hidrotehnică,

hidroamelioraţii, instalaţii utilitare, transportul produselor petroliere, etc. printr-o

serie de parametri şi caracteristici, ca, de exemplu: presiuni şi debite, reglabilitate,

forme constructive şi gabarite, performanţe dinamice etc.

Presiunile considerate ca optime la pompele moderne sunt cuprinse între

valori de 250-500daN/cm2 la turaţii între 3000-5000 rot/min, iar unele cazuri până

la 15 000 – 30 000 rot/min, debite de la 1-8 000 rot/min cu puteri până la 3 500 kW.

Motoarele hidrostatice rotative trebuie să asigure o mare stabilitate a

mişcării, într-un domeniu larg de variaţie a mărimilor de ieşire (între valorile 1 sau

chiar 0,1 rot/min, până la 2000-3000 rot/ min, la maşinile unelte cu comenzi

numerice) şi un mare raport între cuplul motor şi cel de inerţie, care, pentru

motoarele de cca. 200kW şi mai mari, este de 50-60 ori mai mare decât la motoarele

electrice de curent continuu, iar la cele de puteri mici, 160-200 ori mai mare.

Motoarele hidraulice liniare trebuie să asigure o viteză constantă a organului de

lucru şi o mare frecvenţă de inversare. Drept criteriu de clasificare a acestor pompe

şi motoare se va folosi traiectoria de mişcare a organului activ (cupele active la

pompe şi mecanismul de ieşire la motor).[1,11,27]

În consecinţă pompele şi motoarele se vor împărţi în două grupe mari:

rotative, (circulare) şi liniare.

35

2.4.3 Pompe şi motoare hidrostatice circulare

Referitor la clasificarea acestor maşini hidraulice nu se va mai folosi criteriul

reglabilităţii, deoarece în ultimii ani nu se mai poate vorbi de o demarcaţie precisă

între cele reglabile şi nereglabile, întrucât unele pompe şi motoare considerate ca

fiind tipice prin caracterul lor nereglabil (ca, de exemplu, cele cu angrenaj) au

devenit reglabile.

În consecinţă pompele şi motoarele rotative vor fi grupate, în funcţie de

criteriul funcţional constructiv al elementului activ, în: pompe şi motoare cu

pistonaşe axiale şi radiale, cu angrenaj, cu palete etc.

2.4.3.1 Pompe şi motoare cu pistonaşe axiale

Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive

Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale sunt cele mai răspândite în

acţionările hidrostatice din construcţia de maşini, fiind realizate într-o mare varietate

constructivă. În (fig.2.1) sunt prezentate câteva scheme de principiu ale

acestora.[1,11]

Astfel, pompele, (motoarele) din (fig.2.1.a,b,c,d şi e) sunt cu bloc rotitor, iar

cele din (fig.2.1. f şi g) sunt cu bloc fix. Pompele din (fig.2.1) a şi b sunt cu acţionare

interioară prin ax, iar cele din (fig.2.1) c cu acţionare exterioară. Variantele din

(fig.2.1 d şi e) sunt cu legături cardanice duble între blocul cu cilindri şi discul de

antrenare în timp ce celelalte sunt fără legătură cinematică “rigidă” între pistonaşe

şi discul alternativ, aşa zisele pompe şi motoare fără legătură cardanică şi fără bilă

(tijă). O altă variantă, de data asta mai recentă, este prezentată în (fig.2.1 g) şi se

referă la pompe cu distribuţie prin supape, care pot lucra la presiuni foarte mari.

Gradul de răspândire a acestui tip de pompe şi motoare constă în faptul că

acestea au cea mai bună caracteristică de gabarit şi greutate pe unitatea de putere,

deci cele mai ridicate calităţi dinamice. Astfel, de exemplu, la o greutate de 1 kg

revine o putere de cca. 5kW.

Caracteristica de bază a acestor maşini hidraulice este un moment de inerţie

mic şi constant, datorită distribuţiei simetrice a elementelor mobile faţă de axa de

rotaţie, existând, deci o echilibrare perfectă a elementului mobil.

Turaţiile pompelor de putere medie sunt cuprinse între 100 şi 2500 rot/min,

iar turaţia motoarelor poate fi mărit până la 4000-4500 rot/min. în aviaţie se folosesc

astfel de pompe la turaţii de 3000-4000 rot/min, iar în unele cazuri (ca de exemplu,

firma Vickers) se construiesc pompe cu nmax=20 000-30 000 rot/min şi nmiin=5-10

rot/min.[1,11,27]

Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale se construiesc pentru presiuni

cuprinse între 210 şi 700 daN/cm2, debite variind între 3-4 l/min şi 800 l/min, puteri

până la 3 500 kW (pentru laminoare) şi momente până la 800-900 kgfm.

36

Fig.2.1.

Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie[1,11]

Calcului debitului şi pulsaţiei sale. Din (fig.2.2) se constată că la o rotaţie a

blocului cu cilindri 1 şi a discului înclinabil 2 cu un unghi , pistonaşul 3 parcurge

o distanţă x, iar după o rotaţie =180, acest pistonaş parcurge o cursă completă,

egală cu h. în consecinţă debitul elementar pentru un pistonaş de secţiune s poate fi

exprimat:

37

Fig.2.2.Schema functională a pompei cu pistonaşe axiale[1,11]

Debitul instantaneu specific se poate calcula cu relaţia:

1.2sinsinsincos

3.2sinsinsinsin

qsRRRsdsdxdq

qRsdt

dsR

dt

dxssvq

p

inst

iar debitul total poate fi exprimat prin relaţia:

2.2sin2

sinsin 0

2

000 Rznd

xdznsRznqQ p

în care z reprezintă numărul de pistonaşe.

Dacă se analizează debitul instantaneu, se constată că acesta are o variaţie în

timp după o funcţie periodică sinusoidală, debitul total oscilând deci între două

limite, Qmax şi Qmin . Pentru aprecierea caracterului pulsatoriu, se obişnuieşte să se

determine coeficientul de pulsaţie, ca raport între diferenţa valorilor extreme şi

debitul mediu.

2.4.4.2 Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale


Pompele cu pistonaşe radiale au o suficient de mare răspândire, având

avantajul că, printr-o dispoziţie a pistonaşelor pe mai multe rânduri, se pot obţine

debite foarte mari, iar elementul de distribuţie, dată fiind dispoziţia radială a

pistoanelor, este mai simplu. În schimb, au dezavantajul unor condiţii inerţiale

inferioare celor cu pistonaşe axiale, datorită distribuţiei nesimetrice a unor mase de

38

rotaţie, cea ce limitează valorile turaţiilor maxime şi, deci, şi gabaritul lor este mai

mare.[1,11]

Fig.2.3. Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale

În (fig. 2.3) se dau două scheme de principiu ale acestui tip de pompe şi

motoare, din care rezultă că acestea pot fi subîmpărţite în două grupe distincte: cu

aspiraţie (alimentare) interioară (fig. 2.3 a) şi cu aspiraţie (alimentare) exterioară.

Din aceste scheme se constată că, în prima fază 0-, are loc aspiraţia, iar în faza -

2, refularea. O altă clasificare principală poate fi făcută după ciclul funcţional.

Astfel, cele din figurile 2.3, 2.5 şi 2.8 sunt cu simplă acţiune (la o rotaţie, pistonaşele

realizează o cursă dublă şi, deci, o singură aspiraţie şi refulare), iar cu acţiune

multiplă sunt cele din figurile 2.4 şi 2.5, la care pistonaşele realizează mai multe

curse duble la o rotaţie, şi, deci, tot atâtea curse de aspiraţie şi refulare.

Pompele şi motoarele cu pistonaşe radiale se construiesc pentru puteri mari,

până la 3 000 kW, pentru debite până la 8 000 l/min, la presiuni care merg până la

300 daN/cm2 (pentru debite mici). De regulă, pentru presiuni de peste 300 daN/cm2

se recomandă folosirea unor motoare cu pistoane radiale de construcţie deosebită,

având distribuţie cu supape. Relativ la turaţii, din motive dinamice, cum s-a mai

arătat, aceste maşini se construiesc în două variante: de turaţie obişnuită, 1 000-1

500 rot/min, şi de turaţii joase, cu acţiune multiplă, care pot lucra stabil la turaţii sub

1 rot/min, până la nmax=100 rot/min sau până la 500 rot/min. aceste pompe şi

motoare de turaţii joase pot lucra la momente ridicate, până la 5 000 kgfm.

La o serie de pompe şi motoare, construcţia pistoanelor este simplă, fără

ghidare forţată, în care cazuri se recomandă diametre ale pistoanelor peste 16 mm

la turaţii până la 1 000 rot/min, şi peste 22 mm, la turaţii de până la 750 rot/min,

pentru a avea o masă suficientă, care să le asigure o cursă completă de lucru.

Ca o excepţie de la regulile arătate, motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie

exterioară din fig. 2.5, este recomandat de firmele străine ca putând să asigure un

larg domeniu de reglare stabilă (comparabile cu motoarele cu pistonaşe axiale),

39

***

200

n

nR

min

max

n , datorită dispoziţiei favorabile a momentelor date de fiecare

piston în raport cu excentricitatea (fig.2.4).

Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie

Calculul debitului şi pulsaţiei sale. Din fig. 2.6 se vede că debitul elementar

poate fi exprimat în forma: 1.2sincoscos dpseeRsdsdpdp

debitul total poate fi exprimat prin relaţia:

2.22

sin2

000 ez

ddseznznqQ p

Dimensionarea elementelor principale se face pornind de la debitul necesar.

Diametrul pistoanelor se determină prin relaţia 2.5. Diametrul axului de distribuţie

poate fi determinat cu relaţia empirică

3.26...5 mmQD

unde Q se ia în 1/min. diametrul bucşei de fricţiune, D, poate fi calculat cu relaţia:

4.25,1 ab DD

Diametrele rotorului şi, respectiv, statorului pot fi determinate cu relaţiile:

5.22;4 rsbr DDdcDD

lungimea pistonaşelor poate fi determinată, în funcţie de diametrul acestora,

cu relaţia:

6.3d5,3...5,2l

sau în funcţie de excentricitate. Excentricitatea e, poate fi aleasă în funcţie de debit;

astfel, pentru debite cuprinse între 50 şi 400 l/min, se recomandă valorile e=10…14

mm. Excentricitatea poate fi determinată şi în funcţie de raza rotorului, cu relaţia

e/R0,05. Numărul de pistonaşe se aleg, de asemenea, în funcţie de debit

(capacitate).[1,11,12,27]

40

Fig.2.4. Motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie exterioară[1,11]

Fig.2.5. Repartiţia mometelor date de piston în raport cu excentricitatea[1,11]

Fig.2.6. Calculul debitului şi pulsaţiei

41

2.4.3.3 Pompe şi motoare cu palete

Pompele şi motoarele cu palete sunt unele din cele mai simple maşini

hidraulice. Având în vedere simplitatea constructivă, siguranţa în funcţionare şi

capacitatea, sunt destul de larg răspândite în construcţia de maşini, întâlnindu-se

într-o serie destul de mare de variante constructive. Astfel, cele mai simple tipuri

sunt pompele şi motoarele cu acţiune simplă, de regulă cu debit (capacitate)

reglabilă, cu aspiraţie exterioară sau interioară (fig.2.7 a şi b). aceste pompe sunt

compuse din carcasa statorică 1, palete 2, rotorul 3, şi axul motor 4. Denumirea lor

este dată de modul de alimentare cu lichid. Pompele şi motoarele cu acţiune simplă,

în general, de presiune medie, nedepăşind 100 daN/*cm2, datorită unor forţe radiale

neechilibrate. Debitele acestora merg până la 250l/min.[1,11]

Fig.2.7. Pompe cu aspiraţie exterioară şi interioară[1,11]

Pompele şi motoarele cu palete cu acţiune multiplă (fig 2.8, a şi b ), care sunt

nereglabile, sunt datorită echilibrării forţelor radiale şi a reluării multiple pe

perioada unui ciclu, foarte compacte, utilizându-se pentru presiuni până la

175daN/cm2 , la turaţii, pentru pompe, cuprinse între 1000-3000 rot/min; la motoare

această turaţie poate fi mărită de 1,5…2 ori. Debitele acestor pompe pot ajunge până

la 950 l/min. Dacă se montează două pompe înseriate se pot obţine presiuni până

la 250 daN/cm2 .

Fig.2.8. Pompe şi motoare cu palete cu acţiune multiplă[1,11]

42

Referitor la forma constructivă a paletelor se constată că, în ultima vreme, pe

lângă construcţia clasică (fig. 2.9, a, b, c, d, e, f, ) au apărut forme noi, ca cele arătate

în ( fig. 2.9 g, h, I, j). Aceste forme permit o descărcare a statorului de forţe de

presiune prea mari; de exemplu, în capetele înclinate cu pante opuse formează o

cameră închisă 3, care comunică cu camera 4 de la baza paletei, printr-un canal de

mare rezistenţă hidraulică. Ca rezultat, în camera 3 apare o presiune de descărcare

sub valoarea presiunii din camera 4, asigurându-se astfel şi un contact permanent al

paletei cu statorul. Descărcări similare se realizează şi la paletele din (fig. 2.9, h, I,

j).

De regulă, camerele 4, de sub palete, comunică cu camerele de refulare şi

aspiraţie în cele două semicicluri şi sunt izolate în zona l (fig.2.9 k şi l). În această

zonă are loc o descărcare a paletelor, deoarece presiunea în cele două camere 3 şi 4

devine o medie aritmetică , p/2, a diferenţei de presiune dintre camerele de aspiraţie

şi refulare. În zona de aspiraţie lipseşte presiunea necesară asigurării unui contact

sigur între paletă şi stator, motiv pentru care sub palete se introduc şi arcuri de

siguranţă (nereprezentate în fig. 2.9). pentru reducerea şocului de încărcare radială

a paletei de către presiunea din camera de refulare, la trecerea paletei înspre această

cameră (fig.2.9, l), se prevede un canal prelungit, care, cum s-a mai arătat, se

foloseşte şi la alte tipuri de pompe şi motoare.

Fig.2.9. Tipuri constructive de palete [1,11]

43

2.4.3.4 Pompe şi motoare cu angrenaj


Pompele cu angrenaj sau pompele cu roţi dinţate, cum li se mai spune, au o

mare răspândire în construcţia de maşini, datorită simplităţii constructive, preţul de

cost redus şi unei mari siguranţe în funcţionare. Acestea se utilizează pentru o mare

gamă de presiuni şi debite. [1,11]

Pompele cu roţi dinţate pot fi clasificate după: 1) tipul angrenajului

(elvolventic sau cicloidal); 2) forma danturii (interioară, exterioară, cu dinţi drepţi,

înclinaţi sau în v); 3) valoarea nominală a presiunii (joasă presiune, presiune medie

şi înaltă presiune); 4) reglabilitate (cu debit sau capacitate constantă şi reglabilă); 5)

numărul rotoarelor (birotor şi multirotor), figura 2.10.

Fig.2.10. Scheme de principiu folosite în construcţia pompelor cu angrenaj

În figura 2.10 sunt prezentate câteva din schemele de principiu folosite în

construcţia pompelor cu angrenaj. Astfel în figura 2.10.a este reprezentată o pompă

cu doi rotori, la care se poate urmării şi principiul de funcţionare.

44

La aceste pompe rolul de cupe îl au golurile dintre dinţii care transportă

lichidul din camera de aspiraţie în camera de refulare, în sensul săgeţilor.

Tot în aceiaşi figură se pot remarca şi simplitatea constructivă, în

componenţa pompei intrând, în afară de rotor, carcasa 1 şi axele 2 şi 3. În figurile

2.10 b, c, d şi e sunt prezentate schemele de principiu ale unor pompe multirotori,

la care, în afară de avantajele măririi debitelor şi echilibrării forţelor radiale, se pot

realiza şi o serie de trepte de presiune, prin legarea rotorilor în serie (refularea unui

cuplu de rotori se leagă la aspiraţia celui de-al doilea etc.), sau în serie-paralel, ceea

ce măreşte randamentul volumic şi domeniul de presiuni.

Spre deosebire de schemele precedente, la care variantele prezentate sunt un

avantaj exterior, în figura 2.10 f şi g, se prezintă două pompe cu angrenaj interior.

Astfel în figura 2.10 f, este reprezentată o pompă clasică cu angrenaj interior

care funcţionează după acelaşi principiu ca şi cele cu angrenaj exterior, acestea au

avantajul unei compactităţi mai mari, dar, în schimb, au şi o construcţie mai

complicată, motiv pentru care nu au primit o răspândire mai mare.

În (fig. 2.10 g), este prezentată o pompă orbitală sau satelitică, cu profil

cicloidal şi care, în ultimii ani, a căpătat o răspândire mai mare, datorită unor

avantaje ca, randamentul ridicat, o uniformitate mai mare a debitului decât la cele

obişnuite, compactitate mare.

Aceste construcţii se folosesc în special ca motoare, fiind superioare în multe

privinţe motoarelor hidrostatice clasice.[1,11,12,27]

În (fig. 2.10 h), este prezentată o variantă mai recentă a motoarelor orbitale

denumite motoare vectoriale, care au avantajul folosirii danturii evolventice şi se

caracterizează printr-un cuplu ridicat, turaţii mici stabile, un moment de inerţie

extrem de redus, gabarit şi greutate de asemenea mult reduse faţă de alte motoare

similare.

Conform celor prezentate la acest motor, coroana dinţată 2 nu are mişcare de

rotaţie în raport cu axa roţii fixe 1, ci o mişcare oscilatorie în direcţie radială, astfel

încât centrul său se mişcă după un cerc cu raza r, formând cu pinionul arbore 3 un

angrenaj cu I=15/l. Jocul dinte coroanele 1 şi 2 este împărţit în 6 camere active cu

ajutorul paletelor superioare 4. Fiecărei camere îi corespunde un orificiu de

alimentare p1, practicat în partea laterală a motorului, şi unul de evacuare, p2.

Legătura camerei active cu unul sau altul din orificii şi cu canalul de distribuţie 5 se

asigură automat, prin mişcarea coroanei 2. Un motor hidraulic planetar de mare

moment şi stabilitate, de dată şi mai recentă este prezentat în (fig.2.10 I). Motorul

este compus din pinioanele motoare Z1…Z4, stator-coroană distanţă 1, fix, rotorul

2 şi camerele de alimentare3, 4, 5 şi 6. Rotorul este format din două părţi, asamblate

cu prezoanele 7 şi în care se montează axele şi, respectiv, lagărele pinioanelor Z1-

Z4. Alimentând cu lichid sub presiune camerele 3, 4, 5 şi 6 roţile Z1-Z4 se rotesc în

sensul săgeţilor n1, iar rotorul, împreună cu roţile Z1-Z4 în sensul săgeţii n2. Prin

modul de funcţionare, motorul constituie şi un reductor planetar. Pompele cu roţi

dinţate se folosesc pentru o gamă largă de presiuni, începând de la 3-5 daN/cm2 ,

(pentru pompele de ungere şi răcire) mergând până la pompe de 150-200 daN/cm2 .

45

Debitele acestor pompe sunt cuprinse între 10 şi 1000 l/min, iar turaţiile între 1000

şi 3000 rot/min. În unele cazuri, pentru debite mici, unele firme construiesc pompe,

cu lagăre de alunecare, la turaţii de 12000-18000 rot/min.

Fig.2.11. Pompe cu angrenaj[1,11,27]

În figurile 2.11 a, b, sunt prezentate unele construcţii de pompe cu angrenaj.

Astfel, în figura 3.11 sunt prezentate două pompe de construcţie obişnuită, prima,

cu lagăre de alunecare, cea de-a doua, cu rulmenţi. În (fig. 2.12) este prezentată o

pompă de înaltă presiune (100 daN/cm2 ) cu compensare automată a jocurilor

frontale, cu lagăre de alunecare.

Două pompe de înaltă presiune ale firmelor Keelavite şi Hydreco, cu lagăre cu

rulmenţi şi care lucrează la presiuni de 140 daN/cm2 , sunt prezentate în (fig 2.12 a

şi b). pentru etanşarea pompei din (fig 2.12 b), se folosesc două membrane

bimetalice1, la care, pe partea dinspre rotori, este depus un strat de bronz (Sn-8,96%;

Pb-9,87%; Cu-81,17%). Creşterea etanşării se realizează prin compensarea jocului

frontal dintre rotori şi membrane prin presiunea lichidului asupra membranelor.

Compactitatea acestei pompe se obţine prin folosirea unor rulmenţi cu role de înaltă

calitate şi portanţă, capabili a prelua sarcinile mari ce acţionează în lagăre.

În ţara noastră sunt tipizate pompele cu roţi dinţate având volumul geometri

Vg cuprins între 2 şi 125 cm3 /rot, presiunile nominale pn=25daN/cm2 şi

pn=100daN/cm2, turaţiile cuprinse între 750 şi 3000 rot/min şi debite cuprinse între

16 şi 160 l/min.

Calculul debitului pulsaţiei de debit şi momentul pentru pompele de danturi

evolventice multirotor. Dacă se foloseşte metoda echivalenţei 2.1 debitul elementar

furnizat de o pereche de dinţi se poate scrie sub forma:

7.21

Mdp

dq

46

Rotorul conducător este descărcat de forţe radiale, dar asupra rotorilor

conduşi acţionează forţele Fr care pot fi exprimate cu relaţi

8.24,1 2

er pdF

Pompe cu pistoane profilate (fig. 2.12) funcţionează similar cu cele cu roţi

dinţate cu deosebirea că profilul dintelui este similar cu cel al pompelor orbitale,

deci profilul cubiliniu. Numărul acestor dinţi este mic, 2 sau 3, iar contactul danturii

se face pe linia centrală. Aceste pompe n-au căpătat o răspândire mare.[1,11,12,27]

Fig.2.12. Pompe cu pistoane profilate

Motoare Harmann. Acestea (fig. 2.13) sunt motoare de înaltă stabilitate, care

se folosesc în subansamblurile amplificatoarelor de maşini unelte cu comanda

numerică. Firma garantează o funcţionare stabilă până la n=0,1 rot/min. la aceste

motoare alimentarea se realizează prin canalele b sau a, în funcţie de sensul de

mişcare al rotorului 2. Lichidul sub presiune pune în mişcare rotorul 2, prin

intermediul paletelor 3. Etanşarea se realizează cu ajutorul axelor segmentate 4, din

corpul 1, legate cinematic prin angrenaj cu rotorul, pentru sincronizarea mişcărilor

de trecere a paletelor. O altă variantă este prezentată în (fig. 2.14).

Fig.2.13. Motoare Hartmann

47

Fig.2.14. Motoare Hartmann cu axe segmentate

Motoare Rollstar.

Motoarele firmei Rollstar, (fig.2.15) cu rotor concentric, se folosesc la prese,

escavatoare, maşini de ridicat, maşini de frezat etc., fiind maşini de mare moment

(M=(765…3000)kgfm, la p=280daN/cm2 şi la n=260 rot/min). motorul poate

funcţiona stabil la turaţii între 1 şi 1000 rot/min.

Rotorul-piston 1, cu 6 palete proeminente 2 din aceeaşi bucată, are o foarte

mică inerţie. Echilibrarea statică şi dinamică se asigură prin montarea diametral

opusă a camerelor de alimentare şi evacuare, precum şi prin prezenţa unor camere

de descărcare. Motorul este inclus într-un bloc cu reductor planetar cu 1,2 sau 3

trepte de cuplare. Ca principiu de funcţionare, aceste motoare se aseamănă cu

motoarele Hartman.

Fig.2.15. Motorul Rollstar

2.4.3.5 Pompe şi motoare liniare

În cadrul acestui paragraf vor fi prezentate acele pompe şi motoare la care

elementul activ (plonjorul sau pistonul) are o mişcare rectilinie cu un singur grad de

libertate. Este vorba, aici, de pompele cu plonjor, cu excentic, de motoarele rectilinii

etc.

Pompe cu plonjoare şi excentric. Pompele clasice cu plonjoare, de construcţie

verticală sau orizontală (2.10) (folosite în special la staţiile de pompare de la presele

hidraulice), cu bielă manivelă (fig. 2.16), au suferit în ultima perioadă modificări

constructive, care le-a permis creşterea substanţială a presiunii, de la 300-350

48

daN/cm2 la 2000-3000 daN/cm2. În (fig.2.17) se prezintă scheme pentru astfel de

pompe.

Fig.2.16. Pompe liniare cu mecanism bielă manivelă

Figura 2.17 a, reprezintă o pompă cu plonjor 1, acţionată cu camă sau

excentri 4, având distribuţie cu supape (2 şi 3) şi capabilă să funcţioneze până la

presiuni de 1000 daN/cm2. Similare ca principiu de funcţionare, dar cu dispunerea

plonjoarelor diametral opuse, în linie sau radial, sunt şi pompele prezentate în (fig.

2.17, b şi c respectiv d). la pompa din (fig.2.17, b) este caracteristic faptul că

aspiraţia se realizează, nu prin supape, ci prin canalele a’, după trecerea plonjorului

b’ de canalul circular c’.

49

Fig.2.17. Pompe cu plonjor

În (fig.2.18) este prezentată o pompă de presiune ultraînaltă cu excentric,

prevăzută cu multiplicator inclus pentru fiecare plonjor, realizând o presiune de

peste 4000 daN/cm2.

Fig.2.18. Pompă de înaltă presiune

50

Calculul debitului şi pulsaţiei de debit. Schema de principiu a unei pompe cu

excentric este reprezentată în (fig. 2.19). prin rotaţia excentricului 1 şi sub acţiunea

arcului 3, plonjorul 2 se va deplasa în sus sau în jos, realizând refularea, şi, respectiv,

aspiraţia, prin supapele 4 sau 5. Debitul pompei poate fi calculat cu expresia:

9.22

0

2

0 eznd

qnQ

pentru cazul obişnuit şi cu relaţia:

10.224

0

2

0 znxed

qnQ

pentru cazul când supapa de aspiraţie este montată în capul pistonului, cursa acestuia

micşorându-se, în acest caz cu valoarea x. Pentru determinarea pulsaţiei de debit

este necesar a se calcula debitul instantaneu specific (2.17):

11.22

2sin

44

22

r

einwe

dv

dqins

unde r este axa excentricului, iar unghiul poziţional.

Coeficientul de pulsaţie se determină în mod similar cu cazurile

precedente.

Alegând în mod corespunzător înălţimea maximă de deschidere a arcului

forţa de pretensionare, se poate asigura o funcţionare normală a supapelor la turaţii

de până la 6000-8000 rot/min.

Fig.2.19 Motoare hidraulice rectilinii (liniare)

51

Scheme şi variante constructive. Motoarele hidraulice rectilinii au o foarte

largă răspândire în sistemele de acţionare hidrostatică. Aceste motoare pot fi

clasificate, după criterii funcţionale şi constructive, în: motoare cu acţiune simplă

sau dublă, motoare simple sau diferenţiale, motoare cu piston sau plonjor, motoare

mono sau multicilindru, precum şi diverse combinaţii ale acestora.[1,11,12,27]

În (fig. 2.21) sunt prezentate o serie de scheme de principiu ale motoarelor

rectilinii, şi anume: a – motor monocilindru, diferenţial cu acţiune dublă, cu piston

mobil; b – acelaşi tip însă cu cilindru mobil; c – motor monocilindru cu acţiune

dublă şi tija dublă (nediferenţial) cu piston mobil; d – acelaşi tip, dar cu cilindru

mobil; e – motor bicilindru cu plonjor, cu acţiune dublă, cu plonjoare mobile; f –

acelaşi tip, cu cilindru mobil; g – motor bicilindru diferenţial, cu piston mobil, cu

acţiune dublă; h – motor bicilindru diferenţial, cu piston fix, telescopic; I – motor

diferenţial, bicilindru, telescopic, cu piston mobil; j – motor monocilindru, cu piston,

cu acţiune simplă; k – motor tricilindru, diferenţial, telescopic, cu pistoane mobile;

l – motor multicilindru, diferenţial telescopic cu piston şi plonjor mobil; m – motor

cu simplă acţiune cu plonjor principal şi plonjoare auxiliare; n – motor cu plonjor

principal diferenţial cu acţiune simplă şi cu plonjoare diferenţiale; o – motor

combinat, cu plonjor principal şi cu motoare auxiliare cu pistoane cu dublă acţiune;

p – motor principal cu piston cu acţiune dublă şi cu plonjoare cu acţiune simplă.

Din figurile prezentate se constată că unele motoare au o cursă L=H, iar altele

au H în funcţie de construcţia acestora.

Fig.2.21. Pompe şi motoare axiale

52

2.5 Calculul motoarelor hidraulice rectilinii

Calculul motoarelor hidraulice rectilinii constă în determinarea presiunii şi

debitului necesare realizării forţei active la piston şi, respectiv, vitezei de lucru şi de

mers în gol pe care motorul trebuie să le dezvolte.

Forţa activă dezvoltată de motorul hidraulic depinde de suma tuturor forţelor

rezistente şi va fi realizată de presiunea activă pa care va putea fi determinată din

ecuaţia de echilibru static:

12.2021 Rspsp ea

în care R reprezintă suma forţelor rezistente, care, conform (fig. 2.22), poate fi

exprimată prin relaţia 3.13:

Fig.2.22 Model de entanşare al motoarelor hidraulice

13.21

1

i

sghfletdt

dvmFFFR

în care: Fetx1 reprezintă forţa de frecare într-un anumit element de etanşare; Ffgh -

reprezintă forţa de frecare în ghidaj; Fs este sarcina activă; nt

dvm 1 - forţa dinamică

(inerţia).

Din expresia 2.12 se determină presiunea activă în motor:

14.211

2

s

f

s

spp ea

iar presiunea de lucru a pompei de acţionare a motorului se determină cu expresia:

53

15.21

1

i

ap ppp

unde: 1

p este suma pierderilor de presiune liniare şi locale în conducte, armături,

aparate, etc., montate pe traseul hidraulic între pompă şi motor.[1,11,12,27,32]

Determinarea factorilor din membrul al doilea ai relaţiei 2.13 nu prezintă

dificultăţi, cu excepţia forţei dinamice, care se va calcula în cele ce urmează. Pentru

determinarea secţiunii active a motorului în expresia 2.14 se consideră că evacuarea

lichidului la rezervor se face liber, deci p0 şi în consecinţă:

Fig.2.23. Suma forţelor rezistente într-un motor hidraulic liniar

16.2

4

22

11

ep

RdDs

În cazul în care forţa ce acţionează în tijă este aceeaşi în ambele părţi (tijă

egală dublă), diametrul tijei se poate lua 2

Dd i iar diametrul cilindrului rezultă:

17.28

e

ip

RD

iar dacă tija este unilaterală, diametrul DI va avea valoarea:

18.24

e

ip

RD

Având în vedere că relaţia 2.18 dă mai multe soluţii, se alege în prealabil o

valoare optimă a presiunii active pa, după care se poate determina diametrul

cilindrului. În ultima vreme, pe baza tehnicilor moderne de calcul, s-a stabilit ca

valoarea optimă a presiunii pa=50…150 daN/cm2 în sistemele de acţionare

hidraulică a maşinilor unelte, şi pa=100…250 daN/cm2, pentru sistemele hidraulice

54

de acţionare a maşinilor şi utilajelor mobile. Pentru presele hidraulice 50…500

daN/cm2, iar pentru cele de mare tonaj presiunea pa merge până la 2000 daN/cm2 şi

chiar mai mult. Cunoscând forţa maximă dezvoltată de motorul hidraulic se poate

determina şi debitul Q necesar pentru realizarea unei viteze v1, din egalitatea:

19.26126120

1 em QpvFP

deunde:

20.210

1

e

m

p

vFQ

În cazul acţionării hidraulice la maşinile-unelte, dimensionarea cilindrului se

face după alte criterii, avându-se în vedere asigurarea unei rigidităţi maxime a

sistemului, deci prezenţa unei cantităţi minime de lichid în motor.

2.6 Motoare hidraulice oscilante

Motoarele hidraulice oscilante se întâlnesc mai rar decât cele rotative sau

liniare, şi anume atunci când organul de lucru necesită o mişcare de rotaţie

incompletă oscilantă, cu unghiul de oscilaţie (ca, de exemplu, în lanţurile

cinematice de avans intermitent de la maşinile unelte, în reglarea automată a

debitului unor pompe şi la diverse alte servocomenzi). Aceste motoare se întâlnesc

sub două variante constructive (fig.2.24, a, b, c).

Fig.2.24. Motoare hidraulice oscilante

55

2.6.1 Calculul motoarelor hidraulice oscilante

Din figura 2.25 se poate determina:

Fig.2.25. Calculul motorului hdraulic oscilant

Momentul teoretic dezvoltat de motor la arbore:

21.2

842

22 dDpbdDbdDp

PRM

pentru motorul cu paletă oscilantă (fig. 2.25, a), sau:

22.28

22 dDpxb

M

pentru motoarele cu z palete; pentru motoarele cu plonjor, în mod similar:

23.24

2 pFdM

În cele trei relaţii p reprezintă diferenţa de presiune dintre camerele de

alimentare şi evacuare ale motorului şi care, în cazul pa0, se poate aproxima p=pa=p.

Motoarele oscilante pot fi folosite pentru momente mari şi presiuni ridicate, până la

200 daN/cm2.

56

3. MOTOARE TERMICE

3.1 Generalităţi

Motorul este o maşină care are rolul de a transforma o formă de energie, în

energie mecanică. După forma de energie primară folosită, motorul primeşte

denumirea sa. Astfel, motorul care foloseşte energia unui lichid se numeşte motor

hidraulic. Motorul care foloseşte energia cinetică a maselor de aer (forţa vântului),

se numeşte motor eolian sau aeromotor. Motorul care foloseşte energia electrică, se

numeşte electromotor.[1,8,18,20,21]

Motorul care foloseşte drept formă de energie primară căldura, se numeşte

motor termic. Toate aceste forme de motoare, folosind o formă de energie, produc

energie mecanică pe care noi o obţinem sub formă de mişcare de rotaţie. Cu ajutorul

motoarelor, acţionăm diferite maşini unelte sau maşini lucrătoare.

Încă din vechime omul a căutat sursa de energie care să nu oblige aşezarea

instalaţiei producătoare de forţă într-un anumit loc, ca în cazul motoarelor hidraulice

si eoliene. În acest scop, au fost făcute diferite încercări pentru folosirea aburului.

La începutul secolului al XIX-lea, maşinile cu aburi încep să fie folosite nu

numai ca maşini staţionare ci şi în procese mobile. La maşina cu aburi, arderea

combustibilului are loc într-un focar separat, iar transformarea energiei termice în

energie mecanică se face în cilindrul unui motor.

Deoarece arderea combustibilului are loc în afara cilindrului motorului, ele

au fost denumite motoare termice cu ardere externă. La aceste motoare pierderile

de căldură sunt foarte mari şi ca urmare randamentul lor termic este scăzut.

Pierderile de căldură pot fi evitate numai dacă combustibilul se arde direct în

cilindrul motorului. Asemenea motoare la care arderea combustibilului se produce

în interiorul cilindrului, se numesc motoare termice cu ardere internă.

La motoarele termice cu ardere internă, transformarea energiei termice în

lucru mecanic are loc chiar în interiorul cilindrului. Fiindcă arderea combustibilului

are loc direct în cilindrul motorului, aceste motoare sunt mai economice decât

motoarele cu aburi.

În afară de aceasta, motoarele cu ardere internă mai au avantajul că prezintă

o construcţie compactă, dimensiuni mai mici, au pornire şi oprire rapidă şi uşoară.

3.2 Clasificarea motoarelor cu ardere internă

Motoarele cu ardere internă pot fi clasificate în mai multe feluri, după o serie

de factori care caracterizează construcţia motorului şi determină tipul lui.

După destinaţie: motoare staţionare, carosabile, auto transportabile. Acestea

din urmă pot fi: de tractor, automobil, avion, etc.

57

După felul formării amestecului carburant: motoare cu formarea

amestecului în exterior, numite motoare cu carburator, şi motoare cu formarea

amestecului în interiorul cilindrilor, care sunt motoarele Diesel şi motoare cu

catalizator.

După modul de aprindere al amestecului carburant: motoare cu aprindere

de la scânteia electrică, motoare cu aprindere de la un corp incandescent numit

calorizor sau cap de aprindere, motoare cu aprindere prin compresie (motoare cu

autoaprindere sau Diesel).

După modul de efectuare a procesului de lucru: motoare în doi timpi şi

motoare în patru timpi. [1,8,18,21,33]

După numărul cilindrilor: cu un cilindru sau monocilindric şi cu mai mulţi

cilindri sau policilindrice, care pot fi cu 2, 3, 4, 6, 8, 12 cilindri etc.

După poziţia cilindrilor: motoare cu cilindri aşezaţi vertical, orizontal, în

linie, în stea, în unghi sau în V.

După turaţia arborelui cotit: motoare cu turaţie mică sau lente şi motoare cu

turaţie mare sau rapide.

După modul cum se face răcirea motorului: motoare răcite cu aer şi motoare

răcite cu apă.

Caracterizarea completă a unui motor poate fi făcută prin numerarea cel puţin

a unui părţi din criteriile principale de clasificare, spre exemplu: motor staţionar, cu

combustibil lichid, Diesel, în patru timpi, cu 2 cilindri verticali, cu turaţie mică şi

răcire cu apă.

Destinaţia motorului determină în mare măsură construcţia lui. Astfel,

greutatea motorului joacă un rol de seamă la motoarele de automobile şi de tractoare,

fiind de mai mică importanţă la cele staţionare.

De asemenea şi felul combustibilului folosit determină construcţia motorului.

Motoarele care funcţionează cu petrol, benzină şi alţi combustibili uşori au sistemul

de alimentare construit cu totul diferit faţă de motoarele care funcţionează cu

motorină.

3.3 Procesele termodinamice de bază

În termodinamică, sunt patru procese sau transformări caracteristice şi

anume:

- transformarea izocoră sau la volum constant;

- transformarea izobară sau la presiune constantă

- transformarea izotermă sau la temperatură constantă;

- transformarea adiabată, care decurge fără schimb de căldură cu mediul

exterior.

În afară de aceste procese sau transformări, în cursul cărora variază unul sau

doi parametri, mai există o grupă de procese la care variază toţi parametri şi are loc

schimbul de căldură şi mediul exterior.

58

Asemenea transformări se numesc transformări politrope.

O transformare politropă poate cuprinde cele patru procese enumerate mai

sus şi o serie de procese intermediare reprezentând cazul general al tuturor celorlalte

procese.

3.3.1 Transformarea izocoră

Transformarea izocoră sau proces termodinamic izocor, se numeşte o

schimbare de stare a agentului motor, schimbare în cursul căreia volumul său

rămâne constant.

Acest proces se poate desfăşura numai într-un spaţiu închis, volumul

păstrându-se acelaşi în tot parcursul aportului sau cedării de căldură.

Grafic, în coordonatele pv (fig. 3.4) transformarea izocoră se reprezintă

printr-o linie dreaptă verticală, paralelă cu axa presiunilor, numită izocoră.

În această reprezentare toate punctele liniei procesului sunt egal depărtate de

axa presiunilor şi deci volumul va fi constant.[1,8,27]

Pentru cantitatea de 1kgf de gaz al cărei stare este reprezentată în diagrama

prin punctul 1, putem scrie ecuaţia de stare:

p1v =RT1

sau, acelaşi lucru, putem scrie sub forma:

v

R

T

p

1

1

Partea din dreapta a egalităţii fiind constantă, înseamnă că şi partea din

stânga, adică raportul

1

1

T

p va fi constant.

Dacă transformarea decurge de la starea 1 la starea 2, arbitrar luate de noi,

pentru cele două stări vom avea:

v

R

T

p

1

1 şi v

R

T

p

2

2

de unde rezultă că:

9.32

1

2

1

2

2

1

1

T

T

p

psau

T

p

T

p

Aceasta rezultă că în transformarea izocoră, presiunile gazului sunt direct

proporţionale cu temperaturile sale absolute.

59

Fig.3.4. Transformarea iyocoră în coordonate p-v[8.27]

În procesul izocor volumul fiind constant rezultă că nu se va efectua lucrul

mecanic, adică:

l = 0

În acest caz ecuaţia primului principiu al termodinamicii va avea o formă

simplificată, fără termenul care reprezintă lucrul mecanic, adică

q = u2 - u1 kcal/daN (3.10)

sau:

q = cv(T2 – T1) kcal/daN (3.11)

în care: cv este căldura specifică a gazului, la volum constant.

Ecuaţiile de mai jos arată că în procesul încălzirii gazului la volum constant,

toată căldura comunicată este folosită pentru variaţia energiei interne a gazului.

Dacă avem călduri specifice variabile, atunci luăm media, deci:

q = cvm(T2 – T1) kcal/daN (3.12)

în care: cvm este căldura specifică medie, în transformarea la volum constant.

Pentru o cantitate de G kg gaz, vom avea:

Q = Gcv(T2 –T1)

sau:

Q = Gcvm(T2 –T1)

Relaţia (4.10) a transformării izocore este o formă particulară a ecuaţiei

generale a primului principiu al termodinamicii care arată că, cantitatea de căldură

q, este consumată numai pentru variaţia energiei interne a gazului.

q = u2 – u1

Dar din studiul căldurilor specifice cunoaştem că pentru a încălzi la volum

constant 1 kgf de gaz, este necesară o cantitate de căldură

12v

TTcq

Rezultă că pentru 1 kgf de gaz, variaţia energiei interne va fi:

13.31212 TTcuu v

60

iar pentru G kg de gaz vom avea:

14.31212 TTGcUU v

În acest caz, ecuaţia primului principiu al termodinamicii poate fi scrisă sub

forma:

15.312 AlTTcq v

sau

16.312 AlTTGcQ v

3.3.2 Transformarea izobară

Transformarea izobară este o schimbare de stare a agentului motor, în cursul

căreia, presiunea rămâne constantă. Grafic, transformarea izobară poate fi

reprezentată în diagrama pv printr-o linie paralelă cu axa absciselor (fig.3.5). În

acest fel pentru orice poziţie cuprinsă între starea 1 şi 2 presiunile vor fi egale.

Analiza procesului pentru 1 kgf de gaz se face la fel ca în cazul transformării

izocore. [1,8,27]

Ecuaţia de stare (pv=RT) o putem scrie sub forma:

p

R

T

v

Deoarece partea dreaptă, pentru acest proces, este o mărime constantă rezultă

că şi partea stângă

ttanconsT

v

Fig.3.5. Transformarea izobară în coordonate p-v[8,27]

Acest lucru îl putem scrie pentru orice stare a procesului.

Deci, pentru starea 1 şi 2 avem

2

2

1

1

T

v

T

v sau 17.3

2

1

2

1

T

T

v

v

61

ceea ce reprezintă expresia matematică a legii Gay-Lussac.

Rezultă că în transformarea izobară volumele masei gazului sunt direct

proporţionale cu temperaturile lui absolute. Lucrul mecanic pentru 1kgf gaz va fi

egal cu produsul dintre presiune şi variaţia volumului specific sau dilatare, ceea ce

se poate scrie sub forma:

18.312 vvpI

Cunoscând ca în aportul de căldură la presiune constantă pentru 1 kgf de gaz

cu 1C, lucrul mecanic reprezintă constanta specifică a gazului R, putem scrie:

19.312 TTRI

Căldura exterioară care participă în acest proces va avea valoarea

20.312 TTcq p

în care:

cp este căldura specifică a gazului în transformarea la presiunea constantă.

Deoarece variaţia energiei interne nu depinde de caracterul procesului, ea se

va calcula după relaţia generală:

21.32 121 TTcuu v

Pentru G kgf de gaz, lucrul mecanic va fi:

22.32212 VVpGvGvplGL

iar cantitatea de căldură şi energia internă:

24.3

23.3

1212

12

TTGcUU

TTGcGqQ

v

p

Din (fig.3.5), se vede că în transformarea izobară gazul trecând de la starea

1 la starea 2 îşi măreşte volumul şi conform relaţiei 3.17 în starea 2 şi temperatura

gazului va fi mai mare.

Aceasta înseamnă că în procesul izobar, atunci când are loc o creştere a

volumului se face o acumulare de căldură şi gazul îşi măreşte temperatura. Invers,

dacă are loc o comprimare în care procesul decurge de la starea 2 la starea 1 se va

face o îndepărtare de căldură iar temperatura gazului scade. Diferenţa dintre

căldurile specifice ponderale la volum constant cv şi la presiune constantă cp este

dată de relaţia:

ARccvp

pe care o putem transcrie sub forma:

ARccvp

Dacă în această relaţie înmulţim ambele părţi cu T2-T1, vom avea:

25.3121212 TTARTTcTTc vp

După cum se vede, în partea stângă avem expresia cantităţii de căldură

necesară pentru încălzirea la presiune constantă a 1 kgf de gaz de la temperatura T1

la T2.

62

În partea dreaptă, primul termen reprezintă cantitatea de căldură pentru

încălzirea la volum constant a 1 kgf de gaz de la temperatura T1 la T2 ceea ce

constituie variaţia energiei interne u, iar termenul al doilea, lucrul mecanic exterior.

Dacă admitem că gazul a fost încălzit de la temperatura T1=0K, la temperatura

T2=TK, atunci relaţia (3.25) o putem scrie sub forma:

ARTTcTcvp

deoarece conform acestei ecuaţii de stare avem pv=RT, atunci:

ApvTcTcvp

sau ApvuTcp

Partea dreaptă a expresiei reprezentând suma unor mărimi termodinamice

care determină starea gazului, adică suma unor mărimi de stare, şi partea stângă a

expresiei va fi tot o mărime sau un parametru de stare. Această mărime se numeşte

entalpie sau conţinut de căldură.

Obişnuit entalpia se notează cu I, deci:

ApvuiTcp

sau 26.3Apvui

Entalpia unui corp reprezintă căldura totală care este furnizată acelui corp

sub presiunea constantă, de la o stare, convenţional denumită, starea iniţială.

Entalpia se calculează obişnuit de la 0K sau 0C, dar ca şi în cazul energiei interne,

nu interesează prea mult valoarea ei absolută, ci variaţia ei.

Entalpia poate fi calculată de la orice stare stabilită convenţional ca iniţială.

Dacă la temperatura T1 sau t1 pentru cv=constant, entalpia gazului este:

1p11p1

tcisauTci

iar la temperatura T2 sau t2:

2tcisauTcip22p2

atunci variaţia entalpiei pentru 1 kgf de gaz, la încălzirea lui de la temperatura T1 la

T2 sau t1 la t2 va fi:

12p12

TTcii

sau

27.31212 ttcii p

Din această relaţie se vede că entalpia, la fel ca şi energia internă, depinde de

temperatura gazului.

De asemenea se poate deduce că în procesul izobar, consumul de căldură

poate fi determinat prin relaţia:

28.312 iiqp

din care se vede că el este egal cu diferenţa dintre entalpia finală şi entalpia

iniţială. În cazul când în loc de călduri specifice constante avem călduri specifice

variabile, atunci se iau valorile căldurilor specifice medii şi vom avea:

63

tcisauTcipmpm

3.3.3 Transformarea izotermă

Transformarea izotermă sau proces izotermic se numeşte acea schimbare a

stării agentului motor, în cursul căruia temperatura lui rămâne constantă. [1,8,27]

Matematic, condiţia de desfăşurare a procesului se exprimă prin relaţia:

ctT

Să analizăm în acest caz procesul izotermic realizat de 1 kgf de gaz. Din

ecuaţia de stare:

pv=RT

Rezultă că partea dreaptă a ecuaţiei este constantă, deoarece atât R cât şi T sunt

constante. Urmează că şi partea stângă trebuie să fie constantă, adică: ctpv

Deci, pentru orice stare a gazului, produsul dintre presiune şi volum este

constant. În baza acestui fapt putem scrie relaţia:

ctvpvp2211 sau 29.3

1

2

2

1

v

v

p

p

Rezultă că în procesul izotermic presiunile gazului dat sunt invers

proporţionale cu volumele masei lui. Cunoscând valoarea constantei, putem

construi, în coordonate pv, curba acestui proces. Curba obţinută se numeşte

izotermă, iar în matematică o asemenea linie se numeşte hiperbolă echilaterală.

Pentru a determina caracterul unei asemenea curbe este suficient să avem

cinci puncte (fig.3.6). Dacă avem punctul 1 al gazului caracterizat prin parametrii

p1v1 şi făcând parte din curbă, pentru construcţia grafică a izotermei deducem prin

acest punct o paralelă cu abscisa şi o paralelă cu ordonata. Apoi din origine, după

voie, deducem nişte raze care întretaie cele două drepte în punctele aa’, bb’, cc’ şi

dd’.

Din punctele de întretăiere a şi a’, b şi b’ etc. trasăm paralelele cu abscisa şi

respectiv ordonata, paralele care se vor întretăia în punctele 2, 3, 4, 5 …

Fig.3.6. Transformarea izotermă în coordonate p-v[8,27]

64

Aceste puncte aparţin curbei izoterme şi prin reunirea lor obţinem curba dată.

În transformarea izotermă lucrul mecanic se determină prin relaţia:

l = p1v1ln 1

2

v

v sau: l = p1v1 2,3 log (3.30)

Ştiind că în acest proces raportul volumelor este invers raportului

presiunilor, prin înlocuire obţinem:

l = p1v1 2,3 log 2

1

p

p (3.31)

Dar produsul pv fiind egal cu RT, putem scrie:

l=RT12,3 log

1

2

v

v sau: l=RT12,3 log

2

1

p

p (3.33)

Pentru o cantitate G kgf gaz, lucrul mecanic va fi:

L=Gl unde L=2,3p1V1log

1

2

v

v

Sau:

L=2,3p1V1log

2

1

p

p sau: L=2,3GRT1log

2

1

p

p

Cantitatea de căldură care ia parte în procesul izotermic, o putem deduce

din formula generală a căldurii pentru 1 Kg de gaz:

Aluuq12

deoarece:

12v12

TTcuu

şi:

0TTdeciTT1212

vom avea:

1212

uusau,0uu

ceea ce arată că în procesul izotermic energia internă a gazului nu se schimbă, deci

toată cantitatea de căldură ce ia parte în proces se consumă pentru efectuarea lucrului

mecanic exterior. Un asemenea proces se numeşte un proces izodinamic.

În baza acestei concluzii putem scrie:

34.3Alq

iar pentru G kg gaz:

ALAl.GQ

Deoarece efectuarea lucrului mecanic este legată de dilatarea gazului, rezultă

că la dilatarea izotermă, trebuie comunicată gazului o cantitate de căldură

65

echivalentă lucrului mecanic necesar de efectuat, iar la comprimarea izotermă, trebuie

îndepărtată o cantitate de căldură echivalentă lucrului mecanic consumat pentru

comprimare.

3.3.4 Transformarea adiabatică

Proces adiabatic sau transformare adiabatică se numeşte procesul la care

schimbarea stării unui gaz (sau în general a unui agent motor) are loc fără schimb

de căldură între gaz şi mediul exterior.

Matematic aceasta se exprima prin relaţia: 0q

Respectarea acestei condiţii este posibilă în două cazuri şi anume:

când gazul supus transformării adiabatice este închis într-un cilindru complet izolat

încât căldura nu are posibilitatea să treacă prin pereţii cilindrului şi izolaţiei, sau

când procesul de transformare decurge extraordinar de repede şi nu are timp să se

producă schimbul de căldura dintre gaz şi mediul exterior. [1,8,27]

În practică asemenea procese sunt foarte greu de realizat şi se admit cu o

oarecare aproximaţie. De obicei în termotehnică sunt considerate procese adiabatice,

dilatarea şi comprimarea care decurg foarte repede. În coordonate pv, transformarea

adiabatică poate fi reprezentată grafic printr-o curbă numită adiabată, care se

deosebeşte de izotermă prin aceea că are o poziţie mai verticală (fig.3.7). Ecuaţia

transformării adiabatice reprezentată în coordonate pv, pentru l kg de gaz, are

expresia:

pvk=ct (3.35)

în care: k=v

p

c

c= 1,41 (pentru gazele biatomice) şi se numeşte exponent adiabatic.

În transformarea adiabatică parametrii de bază, p, v şi T variază, astfel că

trebuie să avem trei ecuaţii care să redea legătura dintre ei.

Dependenţa dintre p şi v este stabilită prin ecuaţia pvk = ct din care rezultă:

ctvpvpk

22

k

11 sau: 36.3

1

2

2

1

k

v

v

p

p

Fig.3.7. Poziţia reciprocă a izotermei şi adiabatei în coordonate p-v

66

Între v şi T legătura se stabileşte prin relaţia:

ctTv 1k din care rezultă că: ctvTvT

1k

22

1k

11

ceea ce poate fi scris sub forma:

37.3:

1

1

2

2

1

1

1

1

2

2

1

k

k

k

v

v

T

Tsau

v

v

T

T

iar legătura între p şi P se stabileşte prin relaţia:

ctp

T

k

1k

1

din care rezultă că:

ctp

T

p

T

k

1k

2

2

k

1k

1

1

sau : 38.3

1

2

1

2

1k

k

p

p

T

T

La determinarea lucrului mecanic şi variaţia energiei interne pentru un kgf

de gaz, conform primului principiu al termodinamicii avem:

112

Aluuq

şi pentru că în procesul adiabatic căldura exterioară nu ia parte,

0q

atunci:

0Aluu12

sau: 12

uuAl şi

39.32112

A

uu

A

uul

însă:

12v12

TTcuu şi: 21v21

TTcuu

iar:

21

v21v TTA

c

A

)TT(cl

Cunoscând că: 1k

ARc

v

atunci8, 1k

R

1kA

AR

A

cv

Deci: 40.31

21 TTk

Rl

67

Însă RT1 =p1v1 şi RT2=p2v2 şi atunci:

41.31

2211

k

vpvpl

Dacă din expresia (3.40) a lucrului mecanic scoatem pe T1 din paranteză,

vom avea:

1

21

T

T1

1k

RTl

şi în acelaşi fel:

21

2211

vp

vp1

1k

vpl ştiind însă că:

1k

2

1

1

2

v

v

T

T

ecuaţia:

2112

uuuuAl

se poate deduce că:

46.321 uuAl

Din expresia lucrului mecanic rezultă că energia internă în starea iniţială este

mai mare decât în starea finală (u1 > u2), adică în procesul adiabatic de destindere

energia internă s-a micşorat. Întotdeauna deci în procesul adiabatic lucrul mecanic

de destindere se va face pe socoteala energiei interne a gazului.

3.3.5 Transformarea politropă

Toate procesele sau transformările caracteristice studiate până în prezent şi

anume transformarea izocoră, izobară, izotermă şi adiabatică au specific faptul că

în cadrul fiecăruia se stabilea o limitare asupra unui parametru de bază p, v,

t şi q.

Fiecare transformare s-a putut exprima matematic printr-o ecuaţie

caracteristică:

transformarea izocoră……..v = ct

transformarea izobară……..p=ct

transformarea izotermă……T=pv=ct

transformarea adiabatică…pvk=ct

68

Fiecare din aceste procese poate fi reprezentat în diagrama pv fie printr-o linie

dreapta fie printr-o linie curbă. Reprezentând toate procesele într-o singură diagramă,

ele pot trece prin acelaşi punct comun A (fig.3.8).

Fig.3.8. Procesele termodinamice reprezentate în coordonate p-v, trecând printr-un

punct comun[8,27]

Între aceste curbe mai pot fi duse încă (un număr foarte mare), o infinitate de

curbe, dar care se vor supune unei ecuaţii comune de forma:

pvk=ct

Asemenea procese poartă numele de procese politrope, iar exponentul

politropic n poate primi orice valoare, ceea ce va determina caracterul procesului şi forma

cubei de reprezentare în diagrama pv.

Comparând ecuaţia politropei cu ecuaţiile celorlalte procese caracteristice

studiate mai înainte rezultă că acestea sunt nişte cazuri particulare ale procesului

politropic, în care exponentul n primeşte o anumita valoare.

Astfel când n = ecuaţia politropei devine v = ct, izocoră

n = 0 ecuaţia politropei devine p= ct (izobară)

n = l ecuaţia politropei devine pv = ct (izotermă)

n = l, 4 = k ecuaţia politropei devine pvk = ct (adiabatică).

Reiese deci că toate cele patru procese caracteristice studiate mai sus sunt

generalizate prin procesul politropic exprimat prin ecuaţia: pvk = ct

Înseamnă că orice proces care se supune acestei ecuaţii se va numi proces

politropic sau transformare politropă. La fel ca şi pentru procesul adiabatic şi în

procesul politropic este necesar să stabilim legătura între parametrii da bază luaţi doi

câte doi, adică p şi v; T şi v; T şi p. Procedeul va fi de asemenea acelaşi cu deosebire că în

locul exponentului adiabatei k trebuie să folosim exponentul politropei n. Ecuaţia

caracteristică a procesului ne arată legătura între presiune şi volum specific. pvn = ct

Legătura între T şi v, analog cu adiabata, va fi dată de relaţia:Tvn-1 = c t

iar legătura între T şi p, va fi exprimată prin relaţia:

ct

p

T

n

1n

69

Schimbul de căldură în procesul potitropic poate fi diferit şi depinde în

primul rând de valoarea exponentului politropic şi de variaţia volumului.

La o compresie politropică dacă n > k, are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar dacă n < k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0).

La o detentă politropică, dacă n< k. are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar

dacă n > k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0).

Generalizând această analiză privitor la procesul politropic şi cazurile

particulare sau transformările simple studiate anterior, rezultă că transformarea

adiabatică ce trece printr-o stare reprezentată în diagrama pv printr-un punct A

împarte întreg spaţiul în jurul punctului în două zone (fig.3.9).

Fig.3.9. Delimitarea sensului tuturor proceselor termice cu ajutorul adiabatei[8,27]

Tot ce este la dreapta şi mai sus de adiabată reprezintă procese care se

desfăşoară cu o comunicare de căldură (notat cu semnul +) iar tot ce este la stânga şi mai

jos de curba adiabatei, reprezintă procese care decurg cu îndepărtare de căldură (notat

cu seninul -).[1,8,27]

Plecând de la expresia primului principiu al termodinamicii şi cunoscând felul

în care se face schimbul de căldură cu exteriorul, putem afla cantitatea de căldură ce

intră în proces.

Dacă avem un proces politropic între două stări l si 2 care se supune ecuaţiei pvn

= ct, atunci:

Aluuq12

Pentru orice proces, variaţia energiei interne se calculează la fel şi anume:

12v12

TTcuu

iar lucrul mecanic pentru procesul politropic este:

21

TT1n

ARAl

70

deci:

52.31

2112 TTn

ARTTcq v

Dacă schimbăm semnul în termenul al doilea din partea dreaptă si apoi

împărţim întreaga expresie la variaţia de temperatură (T2-T1) vom obţine:

12

12

12

12v

12TT

TT

1n

AR

TT

TTc

TT

q

Cunoscând că

12TT

q

reprezintă tocmai căldura specifică c şi efectuând

simplificările posibile, obţinem:

1n

ARcc

v

Fiind vorba de un proces potitropic, înseamnă că în partea dreaptă avem

căldură specifică a politropei, deci putem preciza:

53.31

n

ARcc vpol

Admiţând ca cv, este const. înseamnă că într-un proces oarecare, pentru o anumită

valoare dată a exponentului n toată partea dreaptă a ecuaţiei va fi de asemenea o

constantă.

În baza acestora, tragem concluzia că atunci când vorbim de căldură specifică

a unui gaz, este necesar să precizăm şi transformarea pe care o suferă, adică să

precizăm condiţiile în care are loc schimbul de căldura.

3.4 Al doilea principiu al termodinamicii

Primul principiu al termodinamicii stabileşte echivalenţa energiei termice şi

mecanice, precizând raportul cantitativ dintre cele două forme de energie în cazul

transformărilor. Totuşi, primul principiu nu precizează dacă o transformare este

posibilă sau nu şi nu dă nici o indicaţie asupra sensului transformărilor din natură.

După cum s-a arătat, în natură, multe dintre fenomene sunt ireversibile şi cauza

ireversibilităţii o constituie condiţiile în care se produc, viteze finite, frecare etc.

Astfel, deşi în baza primului principiu un lucru mecanic de 427 kgfm este

echivalent cu l kcal, totuşi practic nu este posibil ca în aceeaşi măsură să transformăm

427 kgfm în 1 kcal şi invers, 1 kcal în 427 kgfm. De aceea, transformările se împart

în două categorii: pozitive şi negative. [1,8,27]

71

Transformări pozitive sunt acelea care decurg direct fără apariţia simultană a

altor procese. Ce exemple se pot da trecerea căldurii de la un cop mai cald la mul mai

rece, transformarea lucrului mecanic în căldură.

Transformări negative sunt acelea care pentru a fi realizate, necesită şi

efectuarea unor transformări pozitive de compensare. Aşa este cazul transformării

căldurii în lucrul mecanic.

Înseamnă că transformarea lucrului mecanic în căldură este admisă ca o

transformare totală, pe când transformarea căldurii în lucru mecanic este numai parţială o

parte din căldură fiind cedată mediului exterior.

În natură, deci, fenomenele nu se produc în orice sens şi în condiţii. Dacă o

transformare are loc de la A la B, atunci transformare inversă de la B la A nu mai poate

avea loc decât

în anumite condiţii.

Spre exemplu, dacă punem în contact două corpuri cu temperaturi diferite, o

cantitate de căldură va trece de la corpul mai cald la corpul mai rece.

Conform primului principiu al termodinamicii, cantitatea de căldură pierdută de

corpul cald este egală cu cea câştigată de corpul rece. Dar, acelaşi principiu nu se

opune ca o cantitate oarecare de căldura să treacă de la corpul mai rece către corpul

mai cald, ceea ce în natură nu s-a observat niciodată.

Deasemenea, este cunoscut faptul ci prin frecare se produce căldura. Doua

bucăţi de lemn care sunt mişcate unul asupra celuilalt cu o fiecare oarecare produc

căldură. Nu s-a observat niciodată însă ca două bucăţi de lemn aflate în contact şi

încălzite să înceapă să se mişte, cu toate că primul principiu al termodinamicii nu se

opune acestui fapt.

Din aceste exemple se poate trage concluzia că:

„În natură se petrec numai fenomene ireversibile iar fenomenele reversibile sunt

cazuri limita de care fenomenele naturale se apropie mai mult sau mai puţin”.

Această concluzie constituie cel de al doilea principiu al termodinamicii.

Conform primului principiu al termodinamicii nu este posibil să se construiască

o maşină care să producă energie din nimic, adică o maşină care sa producă o energie

oarecare, să zicem mecanică (motor), sau electrică (generator electric), fără a consuma

o altă energie. O asemenea maşină a primit denumirea de motor veşnic sau perpetuu

mobile de ordinul întâi.

Conform principiului al doilea al termodinamicii, pentru a putea produce lucru

mecanic din căldura este nevoie ca o parte din căldura luată de la izvorul sau sursa

superioară de căldură să fie cedată mediului exterior, adică izvorul rece sau sursei

inferioare.

În acest fel, principiu al doilea confirmă că nu este posibil să se construiască

o maşină care să funcţioneze numai cu un singur izvor de căldură. O asemenea

maşină care ar putea funcţiona cu o singură sursă de căldură a primit denumirea de

perpetuu mobile de ordinul al doilea.

Din exemplele de mai sus, al doilea principiu al termodinamicii poate fi

exprimat în mai multe feluri şi anume:

72

- căldura nu poate sa treacă de la sine, de la un corp mai rece la unul mai cald.

- O transformare în care se produce şi căldură prin frecare nu poate fi făcută

reversibilă în nici un fel.

- Este imposibil să se realizeze o maşină care să producă lucru mecanic

absorbind căldură de la un singur izvor de căldură şi fără ca sistemul să fie supus şi

la alte transformări.

3.5 Randamentul termic al ciclurilor

În procesele ciclice, agentul motor suferă o serie de transformări succesive

până când se întoarce la starea iniţială. În acest timp variază parametrii de bază

p, v, T şi ceilalţi parametrii ca energia internă, entalpia etc. În timpul procesului

de dilatare, agentului motor i se comunică o cantitate de căldură q1, iar în timpul

comprimării, i se îndepărtează o cantitate de căldură q2. În procesul ciclic reversibil

o parte din căldura primita de agentul motor se transformă în lucru mecanic. În

aceasta situaţie, conform primului principiu al termodinamicii putem scrie:

1121

Aluuq

şi:

2122

Aluuq

Scăzând a doua expresie din prima, obţinem cantitatea de căldură q transformată

în lucru mecanic în decursul ciclului pentru l kgf de agent motor.

AlllAAlAlqqq212121

deci:

Alqq21 (3.54)

Cu cât cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic este mai mare, cu

atât ciclul va fi mai bun în privinţa folosirii căldurii.

Eficienţa folosirii căldurii în procesul transformării ei în lucru mecanic se

apreciază prin raportul dintre cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic şi

cantitatea totală de căldură comunicată agentului motor. [1,8,21,27,36]

Acest raport se numeşte randament termic. El se notează cu litera grecească

(eta) căreia i se adaugă indicativul t, adică t.

Deci, pentru l kgf de agent motor, căruia i s-a comunicat q1 kcal şi de la care

s-a îndepărtat q2 kcal, iar în procesul ciclului s-au transformat în lucru mecanic q1-

q2 kcal, randamentul termic va fi:

1

2

1

2

1

1

1

21

tq

q1

q

q

q

q

q

qq

73

deci:

55.311

2

q

qt

Dacă ciclul este realizat de G kgf agent motor, atunci randamentul termic va

fi:

1

2

tQ

Q1

Din relaţia (3.55) se vede că randamentul termic va fi, cu atât mai mare cu cat

raportul

1

2

q

q va fi mai mic, adică cu cât va fi mai mică cantitatea de căldură cedată

izvorului rece sau inferior. Valoarea maximă a randamentului termic ar fi

egală cu 1, ceea ce s-ar obţine când q2=0.

Conform principiului al doilea al termodinamicii acest lucru însă nu este

posibil, cedarea unei părţi de căldură către sursa inferioară fiind o condiţie

obligatorie.

3.6 Ciclul Carnot şi randamentul său termic

Studiile teoretice cu privire la transformarea căldurii în lucru mecanic, în

procese ciclice, au fost începute de inginerul Sadi Carnot, în sec. XIX. [1,8,21,27,36]

El a plecat de la următoarele trei premise, care au fost confirmate ulterior şi anume:

- pentru a obţine lucrul mecanic din căldură trebuie să folosim un ciclu, adică

întregul sistem trebuie să revină la starea iniţială (atât agentul motor cât şi organele

maşinii).

- pentru a obţine lucrul mecanic numai din căldura, este necesar să existe două

izvoare de căldură la temperaturi diferite.

- pentru a obţine efectul cel mai mare sau randamentul maxim în procesul

transformării, este necesar ca ciclul să fie reversibil, adică în orice moment

temperatura sistemului să fie în echilibru cu a mediului exterior spre a evita

pierderile de căldură directe, care micşorează randamentul.

În baza acestor premise, S. Carnot a imaginat un ciclu ideal care să poată fi

realizat de o maşină ideală.

Ciclul ideal propus de Carnot se compune din două izoterme şi două adiabate,

iar maşina ideală astfel construită încât să nu aibă frecări în organe, şocuri în timpul

funcţionării, radiaţie şi conductibilitate termică; adică să nu aibă nici o caracteristică ce

ar putea conduce la ireversibilitatea ciclului.

Maşina ideală a lui S. Carnot (fig.3.12) se compune dintr-un cilindru c din

material perfect izolant din punct de vedere termic şi un piston, mobil P, de asemenea

dintr-un material perfect izolant, care prin intermediul unui mecanism bielă-manivelă

pune în mişcare un arbore cotit cu volantă.

74

Fundul cilindrului este închis cu un perete subţire dintr-un material perfect

conducător de căldură, prin care cilindrul poate fi pus în legătură fie ca izvorul cald

T1, fie cu izvorul rece T2 sau poate fi izolat termic de mediul exterior cu ajutorul unui

izolator I.

Fig.3.12. Schema realizării Ciclului Carnot şi reprezentarea lui în coordonate

p-v

În diagrama pv, ciclul ideal începe din punctul 1 când cilindrul este în

legătură cu izvorul cald T1, se face o comunicare de căldurii q1 şi are loc o destindere

izotermică la temperatura T1, destindere care durează până la starea corespunzătoare

punctului 2.

Când pistonul a ajuns fa poziţia corespunzătoare volumului din starea 2, se

întrerupe legătura cu izvorul cald T1 iar cilindrul se izolează cu ajutorul izolatorului I.

Acum în cilindrul complet izolat începe destinderea adiabatică, care durează pană ce

pistonul ajunge în poziţia extremă corespunzătoare punctului 3, iar temperatura

agentului motor scade până la valoarea temperaturii izvorului rece T2.

In acest moment, îndepărtând izolatorul I cilindrul se pune în legătură cu

izvorul rece T2 are loc o comprimare izotermică şi pistonul porneşte în cursa de

întoarcere. Comprimarea izotermică durează până când agentul motor a cedat izvorului

rece cantitatea de căldură q2 şi pistonul a ajuns în punctul 4. În situaţia corespunzătoare

punctului 4 din diagramă se întrerupe legătura cilindrului cu izvorul rece şi se izolează

cu izolatorul I.

Din acest moment compresia continuă adiabatic până în punctul 1, iar

temperatura agentului motor se ridică până la T1 corespunzătoare stării iniţiale.

Pentru realizarea condiţiilor de reversibilitate, este necesar ca ciclul să se

desfăşoare foarte încet, iar forţele exterioare ce acţionează asupra pistonului să varieze

permanent ca mărime, corespunzător schimbării presiunii agentului motor din

interiorul cilindrului.

În acest ciclu, sistemul a absorbit de la izvorul cald o cantitate de căldură q1, în

timpul detentei izotermice 1-2 şi a cedat o altă cantitate do căldură q2 către izvorul

75

rece în timpul compresiei izotermice 3-4, deci schimbul total de căldură în decursul

ciclului a fost:

Alqqq21 (3.56)

iar randamentul termic al ciclului Carnot va fi:

1

2

1

21

1

tq

q1

q

qq

q

Al

(3.57)

Deoarece în acest ciclu comunicarea şi îndepărtarea căldură au fost făcute

dopă izoterme, putem scrie:

4

3

22

1

2

11v

vlogART3,2qşi

v

vlogART3,2q (3.58)

de unde:

1

2

1

4

3

2

t

v

vlogART3,2

v

vlogART3,2

1 (3.59)

făcând simplificările obţinem:

1

2

1

4

3

2

t

v

vlogT

v

vlogT

(3.60)

Dar pentru procesele adiabatice 2-3 şi 4-1 putem scrie:

1k

1

1

2

4

1

1k

1

1

2

3

2

T

T

v

vşi

T

T

v

v

(3.61)

Deoarece părţile din dreapta sunt aceleaşi rezultă că şi părţile din stânga sunt

egale, deci:

4

1

3

2

v

v

v

v sau schimbând locul mezilor în proporţie obţinem:

4

3

1

2

v

v

v

v

76

Rezultă că:

1

v

vlog

v

vlog

1

2

4

3

randamentul termic al ciclului Carnot :

Rezultă că randamentul termic al ciclului Carnot depinde numai de diferenţa

temperaturilor izvoarelor de căldură şi este cu atât mai mare cu cât temperatura

izvorului rece T2 este mai mică şi temperatura izvorului cald T1, este mai mare.

Randamentul ciclului Carnot ar putea fi egal cu unitatea dacă temperatura izvorului cald

ar fi T1 = iar a celui rece T2 = 0; adică t2 = -273C ceea ce practic nu este posibil

de realizat. [1,8,21,27,36]

Ciclul Carnot fiind reversibil, poate fi parcurs şi în sens invers, în acest caz

sistemul va absorbi o cantitate de căldura q2 de la izvorul rece T2 în decursul detentei

izotermice 4-3 şi va ceda o cantitate de căldură q1 izvorului cald T1, de-a lungul

compresiei izotermice 2-1, consumând lucrul mecanic l = q1 - q2. O maşină care ar

funcţiona după ciclul Carnot inversat poate fi folosită ca instalaţie de răcire

(frigorifică), deci ciclul Carnot inversat apare ca ciclu ideal pentru maşini frigorifice.

3.6 Ciclurile motoarelor termice cu ardere internă

Un motor termic perfect ar trebui să funcţioneze după ciclul Carnot. Un

asemenea motor ar avea randamentul termic cel mai mare, indiferent dacă luăm ca agent

motor un gaz sau vapori de apă (aburi), la aceleaşi temperaturi iniţiale T1, şi finală T2.

Randamentul termic va trebui să fie acelaşi, deoarece el nu depinde de natura

agentului motor ci numai de diferenţa temperaturilor.

În realitate, datorită greutăţilor mari care se ivesc la comunicare şi îndepărtarea

de căldură după izoterme, un asemenea ciclu poate fi realizat parţial la maşinile cu

aburi şi nu e deloc posibil de realizat la motoarele trainice cu ardere internă la care

drept agenţi motori sunt utilizate gaze arse.

De asemenea, în motoarele reale au loc o scrie de fenomene ca frecarea în

organe, schimbul de căldură prin contact şi prin radiere, comunicarea şi

îndepărtarea căldurii pe cale ireversibilă, fenomene care fac ireversibil procesul

transformării căldurii în lucru mecanic. [1,8,21,27,36]

Din aceste motive ciclul Carnot rămâne ca un ciclu ideal, teoretic. Studiul tui

ne dă posibilitatea să vedem către ce limită putem tinde cu valoarea randamentului

termic în procesul transformării căldurii în lucru mecanic. Procesul de lucru sau ciclu

de funcţionare al unui motor termic cu ardere internă constituie o succesiune de

procese fizice şi chimice pe care le putem rezuma astfel:

- introducerea în interiorul cilindrului şi umplerea acestuia cu aer

curat sau amestec carburant;

77

- comprimarea aerului sau amestecului prin deplasarea pistonului în

interiorul cilindrului de la PMI la PME;

- introducerea combustibilului în cilindru şi amestecarea lui cu aerul,

în cazul când iniţial a fost introdus şi comprimat numai aerul carat;

- aprinderea şi arderea amestecului carburant;

- detenta gazelor arse care produc deplasarea pistonului în

sensul invers deplasării la comprimare;

- evacuarea produselor de ardere din cilindru.

Faţă de ciclul teoretic, procesul de lucru real prezintă două

particularităţi principale:

a) în timpul arderii amestecului carburant are loc o transformare

chimica, agentul motor se schimbă şi ciclul continuă cu un alt agent motor,

şi

b) la sfârşitul detentei, gazele arse sunt eliminate în exterior şi

cilindrul se umple cu o încărcătură proaspătă.

Aceste două particularităţi fac ca ciclul real de funcţionare să fie deschis.

Făcând abstracţie de cele două particularităţi arătate mai sus, dar ţinând cont de

procesele termice şi mecanice cele mai importante, teoretic se studiază ciclurile

termodinamice închise. Ciclurile reale se compară sub aspectul perfecţiunii lor cu

ciclurile teoretice închise.

Ciclul teoretic al unui motor termic cu ardere internă se analizează având la bază

următoarele admisiuni:

- în interiorul cilindrului se găseşte un kgf agent motor, care pe

parcursul ciclului se află în schimb reciproc cu mediul exterior numai sub

aspect termic (primire sau cedare de căldură) şi mecanic (consum de lucru

mecanic la compresie şi producere de lucru mecanic la detentă);

- procesele care compun ciclul se consideră total reversibile;

- agentul motor este un gaz perfect şi se supune legilor gazelor perfecte;

- în desfăşurarea ciclului procesele decurg foarte încet şi frecarea lipseşte.

Motoarele termice cu ardere internă funcţionează după cicluri care se deosebesc

între ele prin felul cum se face comunicarea de căldură.

Teoretic deosebim trei feluri de cicluri si anume:

- ciclul cu ardere la volum constant;

- ciclul cu ardere ta presiune constantă;

- ciclul mixt sau cu ardere la volum şi presiune constantă.

Fiecare din aceste cicluri are caracteristicile lui proprii şi de aceea ele se

studiază separat.

3.6.1 Ciclul cu ardere la volum constant

După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin scânteie, cu

carburator şi motoarele cu catalizator de joasă compresie. La motoarele cu aprindere prin

78

scânteie aerul şi combustibilul sunt pregătite sub formă de amestec în afara

cilindrului şi amâne m carburator, în cilindru x introduce şi aperi se comprimă

amestecul carburant. La sfârşitul compresiei amestecul carburant se aprinde cu

ajutorul unei scântei electrice. [1,8,21,27,36]

La motoarele cu catalizator, se introduce iniţial în cilindru şi apoi se comprimă

aerul curat. Spre sfârşitul compresiei se pulverizează combustibil care se amestecă cu

aerul. Pentru aprindere serveşte capul incadescent sau catalizatorul.

În acest ciclu (fig.3.14) starea iniţială a gazului se consideră în punctul a

corespunzător PMI la sfârşitul aspiraţiei.

Fig.3.14. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate p-v

Fig.3.15. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate t-s

La deplasarea pistonului spre stânga, va avea loc o compresie a gazului

după adiabata ac. În punctul c, când pistonul se afla la PME începe comunicarea

de căldură q1, care se desfăşoară după izochora cz. În punctul z se termină

comunicarea de căldură şi începe procesul detentei, ce decurge după adiabata zb.

Când detenta se termina, pistonul ajunge la punctul extrem din dreapta PMI. Din

punctul b până în a, după o izochoră, se face o cedare de căldură către sursa inferioară.

În acest ciclu deci compresia şi detenta se fac după adiabate iar aportul şi cedarea de

căldură după izochore.

Din reprezentarea acestui ciclu în diagrama Ts (fig.3.15) se poate vedea că

suprafaţa aczba reprezintă cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic.

79

Ca mărimi caracteristice în ciclu avem: gradul de compresie , reprezintă

raportul dintre volumul total al cilindrului Va şi volumul camerei

de compresie Vc deci:

64.3e

sc

c

a

V

VV

V

V

Gradul de compresie are influenţă asupra valorii randamentului termic al

ciclului t. Gradul de ridicare a presiunii sau raportul de creştere a presiunii ,

reprezintă raportul dintre presiunea gazului la sfârşitul comunicării de căldură pz

şi presiunea gazului la sfârşitul compresiei pc.

=

c

z

p

p (3.65)

Asupra randamentului termic al acestui ciclu, gradul de ridicare al presiunii nu

are influenţă. Să vedem care este valoarea randamentului termic în acest ciclu pentru

1 kgf gaz. După cum ne este cunoscut pentru orice fel de ciclu putem scrie:

1

2

tq

q1

în care: q2 este căldura cedată sursei inferioare,

q1 este căldura comunicată gazului de la sursa superioară.

În cazul ciclului dat, căldura q1 este comunicată după izochora cz, iar căldura

q2 este cedată după izochora ba, deci:

q1=cv(Tz-Tc)

q2=cv(Tb-Ta)

Înlocuind aceste valori în expresia randamentului termic, avem:

cz

ab

czv

abv

tTT

TT1

)T-(Tc

)T-(Tc1

Să exprimăm toate temperaturile care intră în formulă prin temperatura Tz.

a) pentru adiabata ac avem:

80

1k

c

a

a

c

V

V

T

T

însă

c

a

V

V

şi atunci:

66.311 k

ac

k

a

c TTsauT

T

b) pentru izochora cz avem:

cz

e

z

c

z TTundedep

p

T

T

dacă înlocuim şi valoarea lui Tc atunci:

67.31 k

az TT

c) pentru adiabata zb:

1k

b

z

z

b

V

V

T

T

însă Vz=Vc iar Vb=Vz

şi atunci:

1k

1k1k

a

c

z

b11

V

V

T

T

de aici deducem că:

1kzb

1TT

însă Tz=Ta k-1 deci:

a1k

1k

abT

1TT

Înlocuind valorile temperaturilor Tc, Tz şi Tb în expresia randamentului

termic avem:

68.31

11

111

1111

kk

a

a

k

a

k

a

aat

T

T

TT

TT

81

Din expresia randamentului termic pentru ciclu cu ardere la volum constant

se vede că el depinde de doi factori şi anume: de gradul de compresie şi exponentul

adiabatic k. Cu cât aceşti doi factori au valori mai mari, randamentul termic creşte

(fig.3.16). Practic însă, valoarea randamentului termic va creşte cu foarte puţin la

creşterea lui peste o anumită valoare, care de obicei nu este mai mare de 9…10.

Fig.3.16. Curba valorilor randamentului termic în funcţie de gradul de

comprimare şi de exponetul adiabatic[21,27]

Aceasta se explică prin aceea că la motoarele cu aprindere prin scânteie care

funcţionează după acest ciclu, în cilindru se comprimă un amestec combustibil-aer.

Dacă s-ar urca valoarea gradului de compresie şi amestecul s-ar comprima mai

puternic, temperatura la sfârşitul compresiei poate să fie atât de mare încât să

provoace auto-prinderea prematură care poate provoca avaria motorului.

Ciclul cu ardere la presiune constantă

După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie, cu

pulverizate pneumatică a combustibilului, denumite motoare Diesel cu compresor. În

interiorul cilindrului acestor motoare se introduce şi apoi se comprimă puternic aerul

curat. La sfârşitul compresiei temperatura aerului este foarte ridicată. În acest

moment în interiorul cilindrului se injectează combustibil la presiune ridicată şi fin

pulverizat.

Pulverizarea combustibilului se asigură datorită presiunii aerului comprimat

trimis la injector da la o instalaţie cu compresor de aer. În interiorul cilindrului,

combustibilul fin pulverizat se amestecă cu aerul comprimat şi încălzit se aprinde şi

continuă să scadă pe măsura injectării lui.

În acest ciclu (fig.3.17) starea iniţială a gazului este determinată de punctul a în

care pistonul se găseşte la PMI. De la punctul a începe compresia care se desfăşoară după

o adiabată ac şi durează pe toată lungimea cursei pistonului până ce acesta ajunge la

82

punctul extrem din stânga (PME). În punctul c se termină compresia şi începe mişcarea

pistonului spre dreapta. În acelaşi timp începe şi comunicarea progresivă a căldurii qt

după o izobară cz.

Fig.3.17. Ciclul teoretic cu ardere la presiune constantă în coordonate p-v[21,27]

În punctul z se termină comunicarea de căldură, pistonul continuă să se mişte

spre dreapta şi gazul începe să se destindă după adiabata zb. [1,8,21,27,36]

Din punctul b, după o izochoră, are loc cedarea căldurii q2. Deci în acest ciclu

aportul de căldură se face după o izobară, cedarea de căldură după izochoră iar

compresia şi detenta după adiabate. Diagrama Ts a acestui ciclu (fig.3.18) arată că

suprafaţa aczb reprezintă la o anumită scară, cantitatea de căldură transformată în

lucru mecanic.

Fig.3.18. Ciclu teoretic cu ardere constantă în coordonate T-s[21,27]

Mărimile caracteristice pentru acest ciclu sunt:

gradul de compresie

c

a

v

v raportul de injecţie sau gradul detentei prealabile

c

z

v

v

care reprezintă raportul dintre volumul la sfârşitul arderii şi volumul la sfârşitul

compresiei.

Valoarea randamentului termic se determină în felul următor:

83

1

2

tq

q1

Arderea fiind la presiune constată, iar îndepărtarea căldurii la volum constant

vom avea: q1 = cp(Tz - Tc)

q2 = cv(Tb – Ta)

atunci:

cz

ab

cz

p

p

ab

czp

abv

tTTk

TT1

TTc

c

TT1

TTc

TTc1

Să exprimăm temperaturile Tc, Tz şi Tb în funcţie de temperatura Ta.

Pentru adiabata ac

1k

1k

c

a

a

c

v

v

T

T

deci Tc=Tak-1

Pentru izobara cz

1k

acz

c

z

c

z TTTdeciv

v

T

T

Pentru adiabata zb

1k

c

z

z

b

v

v

T

T

În acest caz dacă împărţim numărătorul şi numitorul părţii din dreapta CL

vck-1 obţinem:

1k

c

b

c

z

z

b

v

v

v

v

T

T

însă c

z

v

v iar vb=va deci

c

a

c

b

v

v

v

v

atunci

1k

z

b

T

T

de unde rezultă că k

a1k

1k

1k

a

1k

zbTTTT

Înlocuind valorile obţinute în expresia randamentului obţinem:

84

1k

11kT

1T1

TTk

TT1

1k

k

1k

a

k

a

1k

a

1k

a

a

k

a

t

sau:

69.3

1

111

1

k

k

kt

Din expresia randamentului termic se vede că el depinde de , k si .

Structura formulei arată că în măsura în care fracţia din dreapta se va micşora,

valoarea randamentului termic va creşte.

Micşorarea fracţiei se va obţine atunci când valoarea lui va creşte.

Factorul:

1k

1k

va fi întotdeauna supraunitar şi va creşte odată cu creşterea valorii lui ,

deci va micşora randamentul termic.

Să comparam în diagrama Ts ciclu cu ardere la volum constant şi cu ciclu cu

ardere la presiune constantă (fîg.3.19) luând pentru amândouă ciclurile aceleaşi

presiuni maxime, adică admiţând condiţia că piesele ambelor motoare suportă

aceleaşi solicitări mecanice şi termice, deşi rapoartele de compresie sunt diferite.

Fig.3.19. Reprezentarea comparativă a ciclurilor cu ardere la volum constant şi la

presiune constantă, în coordonate T-s

Suprapunând diagramele astfel ca punctul iniţial a să fie comun ambelor cicluri

apare evident că pentru ciclul ca ardere la volum constant randamentul termic va fi:

zedc

abed1

q

q1

1

2

tv

iar pentru ciclu cu ardere la presiune constantă:

85

czed

abed1

q

q1

1

2

tp

Deoarece suprafaţa czed este mai mare decât c’zed rezultă că pt

>vt

3.6.2 Ciclul cu ardere mixtă

După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie,

Diesel fără compresor. La aceste motoare în interiorul cilindrului se introduce aer

curat care apoi se comprimă puternic.

Datorită compresiei mari, temperatura aerului creşte mult. La sfârşitul

compresiei, cu ajutorul unei pompe de injecţie şi unui injector, în interiorul

cilindrului se introduce combustibilul, la presiune înaltă şi fin pulverizat.

Combustibilul injectat se amesteca cu aerul comprimat şi încălzit, se

aprinde şi arde în mod progresiv, pe măsura injectării lui în cilindru. Comunicarea

de căldura se face parţial la volum constant şi parţial la presiune constantă, aşa cum

este arătat în diagrama pv (fig.3.20) şi diagrama (fig.3.21).

Fig.3.20. Ciclul teoretic cu ardere mixtă în coordonate p-v

Mărimile care caracterizează acest ciclu sunt:

gradul de compresie

c

a

v

v

raportul de ridicarea presiunii

c

z

p

p

raportul de injecţie sau detentă prealabilă

86

c

z

v

v

Valoarea randamentului termic al ciclului mixt se determină după formula

generală

1

2

tq

q1

Dar în ciclul mixt aportul de căldură se descompune în două părţi:

111

qqq

în care: q1’ este căldura comunicată la volum constant –izochoră cz’

q1’’ este căldura comunicată la presiune constantă, izobară z' z

După felul cum sunt făcute comunicările de căldură vom avea:

zzp1

czv1

TTcq

TTcq

iar căldura cedată din exterior

abv2

TTcq

Înlocuind valorile căldurilor în expresia randamentului termic obţinem:

zzpczv

abv

tTTcTTc

TTc1

Din această expresie se vede că randamentul termic al ciclului mixt depinde de

, k, şi . Odată cu creşterea raportului de compresie e randamentul termic creşte.

Ceilalţi factori k, şi au asupra ciclului mixt aceeaşi influenţă ca şi în ciclurile

studiate anterior.

3.7 Principiile funcţionării motorului cu ardere internă şi noţiunile de bază

La baza funcţionării motorului cu ardere internă este proprietatea tuturor

gazelor de a se dilata atunci când sunt încălzite, în cazul când gazul încălzit se află

într-un spaţiu închis, atunci cu cât încălzirea lui va fi mai puternică, cu atât presiunea

gazului va fi mai mare.

Cunoaştem din termodinamică că în cazul când comprimăm un gaz cheltuim

pentru acesta o cantitate oarecare de lucru mecanic şi apoi lăsăm gazul să se

destindă, atunci el teoretic, va produce aceeaşi cantitate de lucru mecanic câtă a fost

cheltuită pentru comprimarea lui.[1,2,20,27,31]

87

Practic, în această situaţie nu vom obţine niciodată aceeaşi cantitate de lucru

mecanic, din contră o parte din lucru, se pierde datorită frecărilor.

Încălzind gazul cu ajutorul unui izvor de căldură oarecare (o lampă,

un cap incadescent, etc.) atunci presiunea lui va creşte mai mult crescând o dată cu

aceasta şi tendinţa gazului de a se dilata.

Gazul încălzit va apăsa cu putere pe toate direcţiile şi dacă lăsăm pistonul

liber, acesta va fi împins cu putere, iar gazul se va destinde.

În acest caz, la mişcarea pistonului de sus în jos, gazul va produce un lucru

mecanic mai mare decât cel cheltuit la comprimarea lui.

Acest fapt este folosit la principiul funcţionării motoarelor cu ardere internă.

Ridicarea temperaturii gazului în interiorul cilindrului are loc prin arderea unui

combustibil lichid sau gazos (spirt, benzină, motorina, gaz din lemn, gaz metan)

care se introduc în interiorul cilindrului fie sub formă de amestec, fie că acolo se

amestecă cu aerul.

Rezultă că un motor cu ardere internă pentru a putea funcţiona, trebuie să

îndeplinească următoarele procese:

- Să introducă în interiorul cilindrului aer şi combustibil fie sub

formă de amestec pregătit în afară, fie că acest amestec se formează în

interior.

-Aerul sau amestecul din aer şi combustibil trebuie să fie

comprimat.

- În urma comprimării, amestecul carburant trebuie să fie aprins şi să

ardă.

- Gazele arse trebuie lăsate să se destindă, în vederea obţinerii

lucrului mecanic.

- Să elimine afară gazele arse dilatate, pregătind cilindru pentru a

primi o nouă încărcătură de combustibil şi aer.

Introducerea aerului şi combustibilului în interiorul cilindrului se face printr-

un orificiu numit, orificiu de admisie, iar evacuarea gazelor arse este făcută prin

orificiu de evacuare (fig.3.23). Orificiul de admisie este acoperit cu o supapă de

admisie 4 iar cel de evacuare cu o supapă de evacuare 5.

Fiecare orificiu este deschis pe rând, la un moment dat strict determinat, în

corelaţie strânsă cu anumite poziţii ale pistonului 3 în interiorul cilindrului. Pistonul

se deplasează în interiorul cilindrului de jos în sus şi de sus în jos între anumite

limite.

Poziţia cea mai îndepărtată a pistonului în cilindru faţă de axa arborelui

cotit se numeşte punct mort exterior, notat pe scurt PME, iar poziţia cea mai apropiată

de axa arborelui cotit, punct mort inferior notat PMI. Deplasarea pistonului de la un

punct mort până la altul, se numeşte cursa pistonului şi se notează cu S. Unei curse

a pistonului îi corespunde o jumătate de rotaţie a arborelui cotit, adică l80°, deci

lungimea cursei pistonului S, este egală cu de două ori lungimea manivelei.

88

Fig.3.23. Organele şi elementele de bază ale motorului cu ardere internă

Alezaj se numeşte diametrul interior al cilindrului, în care se mişcă pistonul d.

Volumul de lucru. Alezajul cilindrului şi cursa pistonului determină volumul de lucru

a motorului care se notează cu Vs.

Valorile lor se aleg în funcţie de puterea motorului pe care dorim s-o obţinem şi

de regimul de funcţionare (turaţia) pe care-1 va avea motorul. [1,2,18,20,21,27,31]

Volumul Vs rezultat prin deplasarea pistonului pe lungimea cursei S se

numeşte “cilindree”. Dacă un motor are mai mulţi cilindri, atunci cilindreea

motorului va fi dată de suma volumelor de lucru ale cilindrilor motorului. Cilindreea

se exprimă în cm3, fiind denumită şi capacitatea cilindrică.

Volumul camerei de compresie Vc este volumul din interiorul cilindrului

cuprins între capul cilindrului (chiulasă) şi piston când acesta se află în PME.

89

Volumul total de admisie Va este volumul cilindrului cuprins între capul

cilindrului şi piston când acesta se află PMI.

Rezultă că volumul total de admisie este suma volumului de lucru Vs şi

volumului camerei de compresie Vc:

Va = Vs+Vc

Gradul de compresie sau raportul de compresie, notat cu litera grecească

Epsilon (), arată de câte ori se reduce volumul în interiorul cilindrului, în timpul

operaţiei de comprimare a aerului sau amestecului.

c

a

V

V

Pistonul este articulat de biela 6 iar aceasta, la rândul ei, în partea inferioară

articulează cu arborelui cotit (sau arborele motor), 7.

Prin arderea amestecului carburant în interiorul cilindrului, se obţine o

cantitate oarecare de căldură. Datorită căldurii produse prin ardere, gazele rezultate în

urma arderii atingând temperatura de 1800-2000°C tind să se dilate.

3.8 Mecanismul bielă-manivelă

Mecanismul bielă-manivelă, la motoare termice cu ardere internă, serveşte

pentru preluarea presiunii gazelor şi transformarea mişcării rectilinii alternative a

pistonului în mişcarea de rotaţie a arborelui cotit.

Necesitatea transformării mişcării rectilinii alternative în mişcarea de rotaţie

se explică prin aceea că aceasta din urmă este mai uşor şi mai simplu de transmis

către maşinile lucrătoare.

În legătură cu întreg complexul de fenomene termodinamice care se produc

în scopul de a obţine mişcarea, la motoarele termice cu ardere internă mecanismul

bielă-manivelă se compune din următoarele părţi: carterul, cilindrul (blocul

cilindrilor), capul cilindrului, sau chiulasa, pistonul, segmenţii, bolţul (axul

pistonului), biela, arborele cotit şi volanta.

Mecanismul bielă-manivelă la motoarele de tractor şi automobil, se

construieşte în trei feluri: în primul fel, arborele cotit este aşezat central sau axial,

linia arborelui fiind perpendiculară faţă de axa cilindrului (fig.3.24.a)

Aceste mecanisme bielă-manivelă se numesc simple sau normale. Al doilea

mod, este aşezarea arborelui dezaxial, deplasat faţă de axa cilindrului cu o

mărime oarecare e numită dezaxaj (fîg.3.24.b).

90

Fig.3.24. Variantele construcţiei mecanismului bielă manivelă

a- axial; b- dezaxial;[27]

Dezaxajul se face în scopul îndepărtării bielei de arborele cu came, ca să nu

se atingă în timpul funcţionării, iar dezaxajul în piston, în scopul micşorării

presiunilor laterale pe cilindri.

La aceste motoare, la rotirea arborelui cotit cu un unghi , unghiul făcut de

bielă cu axa, va fi mai mic decât unghiul la motoarele axiale.

Dezaxajul fiind relativ mic, maximum 10% din cursă, sau practic 3+8 mm la

arbore şi 2+6 mm la piston, în calcule putem neglija aceasta fără a face greşeli mari,

însă practic la montare trebuie să fim atenţi şi mai ales la motoarele cu dezaxare în

piston, spre a nu le monta la întâmplare, deoarece putem provoca dezechilibrare şi

uzură prematură.

Al treilea mod de construcţie a mecanismului bielă-manivelă este acela cu

articulaţie excentrică. Această variantă se întâlneşte la motoarele cu mai multe linii,

la care în acelaşi plan se găsesc mai mulţi cilindri, cum sunt motoarele în V. La acestea,

de regulă, de bielă se articulează o bieletă, sau se montează două biele pe acelaşi

maneton.

3.8.1 Cinematica mecanismului bielă-manivelă

În timpul funcţionării motorului unele organe ale mecanismului bielă-

manivelă se află în mişcare de rotaţie, aşa cum este arborele cotit şi volanta. Această

mişcare se produce mai mult sau mai puţin uniform.

Alte organe ale mecanismului bielă-manivelă, ca pistonul împreună cu

segmenţii şi bolţul, au mişcare rectilinie alternativă, care nu se face uniform.

În punctele moarte viteza acestor piese este egală cu zero, după care începe

să crească obţinând valori maxime aproximativ la o poziţie mijlocie din cursă, pentru

91

ca apoi iarăşi să scadă ajungând din nou la zero, după care fenomenul să se producă

invers şi iarăşi să se repete în totalitatea lui. Rezultă că mişcarea grupului piston se face

cu acceleraţie.

Biela are o mişcare complexă, capul mic al ei având aceeaşi mişcare rectilinie

alternativă cu a grupului piston, iar capul mare al ei, are o mişcare de rotaţie împreună

cu arborele cotit al motorului. Din mecanică se cunoaşte că forţa este direct

proporţională cu masa şi acceleraţia imprimată ei.

F=m•a (3.71)

în care: F este forţa în N

m - masa, în kg

a - acceleraţia, în m/s2

Organele mecanismului bielă-manivelă ale unui motor care se găsesc în mişcare

de rotaţie şi mişcare rectilinie, alternativă, au mase determinate şi în timpul mişcărilor

iau naştere forţe de inerţie, care depind de relaţiile dintre dimensiunile ce

caracterizează mecanismul bielă-manivelă, mai ales între raza manivelei r şi lungimea

bielei l.

3.8.1 Mişcarea pistonului

Considerând mecanismul bielă-manivelă al unui motor termic cu ardere internă

în situaţia când pistonul se găseşte la punctul mort superior, atunci biela şi cu manivela

se află una în prelungirea celeilalte, iar distanţa OA’, dintre axa bolţului şi axa

arborelui cotit este egală cu suma r +1.

Fig.3.25. Schema mecanismului bielă-manivelă pentru calculul deplasării

pistonului

3.8.2 Acceleraţia pistonului

Acceleraţia pistonului se determină după formula:

a =r2(cos + cos2) , m/s2 (3.74)

Cum se vede din expresie şi acceleraţia poate fi prezentată sub forma:

a=a’+a’’în care: a’=r2cos iar a’’=r2 cos 2

92

În figura 3.28 curba acceleraţiei de ordinul I reprezintă o cosinusoidă cu

perioada 360°, curba acceleraţiei de ordinul al II-lea reprezintă o cosinusoidă cu

perioada 180°, iar acceleraţia este reprezentată prin curba rezultată din însumarea celor

două. După cum se vede, acceleraţia maximă este la 0° si la 360°, adică la punctul

mort superior. [1,2,18,20,21,27,31]

Fig.3.28. Graficul acceleraţiei pistonului[18,20]

Ştiind că 30

n şi înlocuind în expresia acceleraţiei, vom avea:

a = r900

n 22(cos +cos2)m/s2 (3.75)

adică acceleraţia este direct proporţională cu raza arborelui cotit şi cu pătratul turaţiei

motorului.

În poziţia când pistonul se află la PME, valoarea acceleraţiei va fi maximă.

În acest caz = 0. iar 2= 10, vom avea:

2

22

maxs/m1

90

rn1

900

rn10a

La mişcarea pistonului în jos acceleraţia se micşorează până la zero când

viteza pistonului atinge maximum, ceea ce corespunde unei întoarceri de cca. 90° a

arborelui, apoi iarăşi creşte dar cu sens invers până la PMI când avem:

2

2

mins/m1

90

rna

3.8.3 Dinamica mecanismului bielă-manivelă

În timpul funcţionării motorului, organele mecanismului bielă-manivelă au

mişcare diferită şi că în timpul mişcării lor apar o serie de forţe şi momente.

În timpul funcţionarii motorului, iau naştere următoarele forţe:

- Forţa presiunii gazelor arse, în interiorul cilindrului.

- Forţe de inerţie a maselor în mişcarea rectilinie alternativă şi a

maselor în mişcarea de rotaţie, mişcări care au loc cu acceleraţii.

93

La motoarele cu turaţie mare, aceste forţe ca mărime pot atinge valori

apropiate de forţa presiunii gazelor sau chiar mai mari.

- Forţe rezistente ca, reacţia în lagărele fusurilor cotite, forţe de

fiecare, forţe datorită greutăţii organelor etc.

Toate aceste forţe, cu excepţia forţei datoriţi greutăţii organelor îşi schimbă

valorile şi sensul lor în timp. Ele pot fi moi mari sau mat mici, pozitive sau negative.

În calcule se caută a se stabili forţele sumă sau rezultanta acestor forţe care

acţionează asupra organului respectiv. Astfel, pentru un motor monocilindric este

suficient să determinăm forţele şi momentele ce acţionează asupra mecanismului

bielă-manivelă, pe când la motoarele cu mai mulţi cilindrii trebuie să ţinem cont şi de

forţele şi momentele ce apar suplimentar datorita poziţiei diferite a coturilor arborelui.

Studiul tuturor forţelor ce apar în timpul funcţionarii motorului, a rezultantei

lor, precum şi studiul echilibrajului motorului, formează dinamica mecanismului bielă-

manivelă. Deoarece forţele de inerţie iau naştere sub influenţa acceleraţiei asupra masei

organelor în mişcare, înainte de a trece la studiul dinamic, trebuie să cunoaştem în

afară de caracterul mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă şi masele

acestor organe.

3.8.4 Forţe şi momente ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă

După cum am văzut, în timpul funcţionării motorului apare forţa datorită

presiunii gazelor şi forţe de inerţia datorită mişcării cu acceleraţie a organelor

mecanismului bielă-manivelă. De asemenea apar şi forţele rezistente, de frecare,

datorită greutăţii ete., dar valoarea lor fiind mică, ele se pot neglija.

Forţa depresiune a gazelor, Fg. Presiunea gazelor rezultată în urma arderii

combustibilului în camera de ardere a cilindrului, apasă în mod egal în toate direcţiile,

asupra pereţilor cilindrului, asupra chiulasei şi asupra pistonului (fig.3.30).

[1,8,11,33,35]

Presiunea gazelor asupra pereţilor cilindrilor se echilibrează reciproc şi nu se

transmite în exterior. Presiunea gazelor asupra chiulasei dă naştere unei forţe ce

acţionează în lungul axei cilindrului care tinde să desprindă chiulasa de pe cilindru.

Ea este preluată de şuruburile prezoane.

Ea se echilibrează cu forţa Fg care acţionează asupra pistonului, în lungul axei

cilindrului şi este de sens contrar.

Valoarea ei se va exprima astfel:

78.34

2

Npd

F gg

în care: Fg este forţa de presiune a gazelor arse, în N;

d- diametrul pistonului, în cm;

pg - presiunea specifică a gazelor, la momentul considerat, în bar

94

Fig.3.30. Schema acţiunii forţei de presiune a gazelor arse

Valoarea presiunii gazelor poate fi determinată după diagrama indicată

reală obţinută cu ajutorul indicatorului sau construită prin metoda grafică pe baza

calcului termic. De asemenea se poate folosi diagrama indicată desfăşurată care

arată variaţia presiunii gazelor în cilindru pe durata unui ciclu în funcţie de unghiul de

rotire a arborelui cotit (fig.3.31).

Fig.3.31. Diagrama indicată reală, desfăţurată în funcţie de unghiul arborelui

cotit

În calculul forţei de presiune a gazelor, trebuie sa ţinem cont de semnul forţei.

Astfel, dacă forţa este dirijată după sensul de mişcare a pistonului, cum este în cazul

detentei (către arborele cotit atunci ea este pozitivă şi va da naştere unui lucru mecanic

pozitiv şi invers, când este dirijată contra sensului de mişcare a pistonului, cum este în

cazul compresiei când se consumă lucru mecanic, ea este negativă.

Forţele de inerţie Fi apar ca rezultat al mişcării organelor mecanismului

bielă-manivelă, cu acceleraţie.

După felul mişcării maselor care compun mecanismul bielă-manivelă

deosebim: forţe de inerţie ale maselor în mişcare rectilinie-alternativa Fia şi forţe

de inerţie ale maselor în mişcare de rotaţie Fir.

95

În cazul unui motor cu un singur cilindru, forţele de inerţie ale maselor în

mişcare rectilinie-alternativă vor fi exprimate prin produsul mal cu acceleraţia

pistonului, luată cu semn invers.

Masele în mişcare rectilinie-alternativă (vezi formula 3.76) sunt:

mal=mp+m1

Acceleraţia pistonului a conform formulei (3.76) se exprimă:

a = r2(cos +cos2

Atunci, forţa de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie-

alternativă va fi:

Fia = -mal r2(cos +cos2)N (3.79)

Forţa de inerţie totală se considera ca o sumă a două forţe de inerţie şi anume:

- forţa de inerţie de ordinul I a cărei perioadă de variaţie corespunde unei rotaţii

complete a arborelui cotit, adică = 360. Ea se exprimă prin primul termen

al formulei (3.73)

F’ia=malr2cos

- forţa de inerţie de ordinul II a cărei perioadă de variaţie corespunde la o jumătate

de rotaţie a arborelui cotit, = 180 se exprima prin al doilea termen al

formulei (3.73).

F’’ia = - mal r2 cos 2

Ambele forţe F’ia şi F’’ia acţionează în lungul axei cilindrului, iar valoarea şi

sensul lor se schimbă în permanenţă.

Ca valoare, forţa de inerţie de ordinul al doilea F’’ia este de 3-5 ori mai mică

decât forţa de inerţie de ordinul I F’’ia.

Rezultă că forţa de inerţie datorita maselor în mişcare rectilinie alternativă

acţionează pe axa cilindrului şi întotdeauna are sens invers cu acceleraţia pistonului.

Când pistonul se găseşte la PME forţa de inerţie Fia este dirijată în sus, de la arborele

cotit spre exterior şi se consideră că este negativă. Când pistonul se găseşte la PMI

forţa de inerţie este dirijată în jos, către arborele cotit şi se consideră ca este pozitivă.

Forţa centrifugă de inerţie Fir, apare datorită mişcării de rotaţie a maselor mr

= m2 + mc, ale mecanismului bielă-manivelă, compuse din masa capului mare al

bielei şi masa neechilibrată a unui cot al arborelui motor (fig.3.32).

96

Fig.3.32. Schema acţiunii forţei centrifuge

Această forţă este dirijată după raza manivelei şi este aplicată în centrul

manetonului. La rotaţia uniformă a arborelui cotit, valoarea forţei centrifuge rămâne

constantă şi se exprimă prin relaţia:

Fir = mrr 2 (3.80)

3.8.5 Forţele sumă ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă

În afară de efectul izolat ce îl provoacă forţa luată în parte, asupra diferitelor

organe ale mecanismului bielă-manivelă, acţiunea comună a lor dă naştere la forţe

rezultante şi la momente având o anumită influenţă asupra funcţionării motorului, în

special în ceea ce priveşte echilibrarea lui (fig.3.33). Forţa de presiune a gazelor Fg

se transmite prin piston şi se consideră aplicată în centrul bolţului. Tot în acest punct

se consideră aplicată şi forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie alternativă.

Deci forţa sumă care acţionează asupra pistonului, va fi:

NFFFiag

(3.81)

După ce pistonul a plecat de la PMS, arborele cotit făcând un unghi oarecare ,

iar biela un unghi , această forţă sumă care acţionează în lungul axei cilindrului,

având punct de aplicaţie în centrul de greutate a bolţului şi ca sens dirijată în jos,

către arborele cotit, se descompune în două componente care sunt dirijate după

două direcţii şi anume:

- Forţa Fb dirijata în lungul bielei, a cărei valoare este:

Fb= Ncos

F

(3.82)

şi forţa Fn normală (perpendiculară) pe peretele cilindrului, a cărei valoare este:

NFtgFn

(3.83)

Forţa Fb se transmite prin bielă la articulaţia manetonului, iar forţa Fn va produce

apăsarea pistonului asupra peretelui cilindrului şi va provoca uzura lor datorită

frecării reciproce. Datorită frecării pistonului de peretele cilindrului, se produce cu

timpul ovalizarea acestuia din urmă.

Valoarea cea mai mare a forţei Fn va fi în timpul cursei motrice, iar în cursa de

compresie valoarea ei este mai mică.

Transpunând forţa Fb în centrul de greutate al manetonului şi descompunând-

o obţinem componentele: Fz – dirijată radial, în lungul braţului manivelei către axa

geometrică a arborelui cotit şi Ft – tangentă la circumferinţa descrisă de maneton în

timpul rotaţiei sale şi dirijată după sensul de rotaţie.

Valorile lor sunt:

84.3cos

coscos NFFF bz

97

ş

85.3cos

sinsin NFFF bt

Unghiul (+) este unghiul format de direcţia forţei Fb şi raza manivelei, ca

unghi exterior triunghiului.

Fig.3.33. Schema forţelor şi momentelor ce iau naştere în mecanismul

bielă-manivelor în timpul funcţionării motorului

Dacă transpunem forţa Fz pe linia de acţiune a ei aplicând-o în centrul

palierului, care este centru de rotaţie al arborelui cotit şi totodată aplicând în acest

punct două forţe opuse ca sens F’t şi F’’t , iar paralele şi egale cu forţa tangenţială

Ft, atunci forţele Fz şi Fr se vor compune dând, iar forţele şi cu braţul r egal cu raza

manivelei, vor da naştere unui moment numit moment motor sau moment rotitor:

Mm = Ft r kgm (3.86)

Înlocuind valoarea forţei tangenţiale Ft conform formulei vom avea:

87.3cos

sinkgmrFMm

Momentul motor produce rotaţia arborelui cotit. El se transmite prin toate

mecanismele transmisiei tractorului sau automobilului până la roţile motrice, fiind

folosit pentru învingerea tuturor rezistenţelor exterioare.

98

Forţele Fz şi F"t vor compune dând rezultanta F’b=Fb care este o forţă liberă,

aplicată în centrul de rotaţie al arborelui cotit. Ea se descompune în două

componente: una orizontală F’n şi una verticală F’’. Componenta orizontală F’n este

egală cu componenta normală pe peretele cilindrului Fn. Distanţa între ele fiind h,

cuplul lor formează un moment numit moment rezistent sau basculant.

kgmhFMnrb (3.88)

Deoarece direcţia şi sensul momentului motor Mm o considerăm ca pozitivă,

atunci apare evident că momentul basculant Mrb este dirijat în sens invers. Ca

mărime, valoarea momentului basculant este egală cu valoarea momentului

motor. El se mai numeşte şi moment reactiv sau moment de răsturnare, deoarece

are tendinţa să răstoarne motorul într-o parte şi este preluat de rama sau cadrul pe

care este montat motorul. Deci:

hFMMnrbm

(3.89)

Componenta verticală F' este egală cu forţa sumă F aplicată în bolţul

pistonului. Deoarece F' acţionează pe axa cilindrului fiind aplicată în centrul

palierului, ea este liberă, rămâne neechilibrată şi se transmite prin bloc-carterul

motorului.

De fapt nu se transmite valoarea ei întreagă, deoarece în. camera de ardere forţa

de presiune a gazelor arse care apasă asupra chiulasei are aceeaşi linie de acţiune dar

în sens contrar.

Făcând suma algebrică a lor, rezultă că rămâne să acţioneze liber în mecanismul

bielă-manivelă forţele:

F-Fg=Fia

adică sunt libere forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie alternativă.

Din aceste motive, pentru a reduce efectul acestor forţe în scopul de a obţine un

regim uniform de funcţionare a motorului, se iau măsuri pentru echilibrarea lui.

Forţa tangenţială Ft prezintă importanţă deosebită deoarece ea dă naştere

momentului motor sau rotitor

Mm=Ft r

Deoarece raza manivelei r este o mărime constantă, atunci variaţia valorii

forţei tangenţiale va reprezenta la o anumită scară, variaţia momentului rotitor.

Momentul rotitor ca valoare variază în permanenţa, iar în punctele moarte valoarea lui

este egală cu zero, deoarece forţa tangenţială se aceste puncte, iar braţul de asemenea

este egal cu zero.

De aceea, se face o valoare medie a momentului motor, iar în cazul motoarelor

cu mai mulţi cilindrii se face suma algebrică a momentelor motoare de la toţi cilindrii

io funcţie de unghiul de rotaţie al arborelui cotit , şi apoi se determină şi valoarea

momentului motor mediu Mmm.

Pentru verificarea valorii momentului motor mediu Mmm se determină

puterea motorului după diagrama indicată.

Relaţia dintre puterea indicată şi momentul motor este următoare:

99

90.32,7167560

2

75CP

nMnMMP mmmmmmm

i

Forţele care iau naştere pe fusul maneton, sunt forţele de inerţie Fir datorită

masei concentrată în fusul maneton m2, de asemenea forţa radială Fz aplicată în

centrul manetonului şi dirijată în lungul manivelei către centrul arborelui cotit. Deci

forţa sumă care ia naştere pe fusul maneton va fi determinată ca sumă algebrică a celor

două forţe:

Fm=Fir+Fz N (3.91)

iar forţa sumă rezultantă ce acţionează asupra fusul maneton va fi :

NFFR 2

m

2

t (3.92)

Rezultă că în urma mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă în timpul

funcţionării motorului, iau naştere următoarele forţe şi momente:

- Forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie după axa cilindrului

Fia

- Forţa de inerţie centrifugă datorită maselor în mişcare de rotaţie a capului

mare al bielei concentrate în maneton Fir

- Momentul rezistent al basculantei Mrb

3.8.6 Echilibrarea motorului

Din studiul dinamicei motorului, când am luat în considerare un motor

monocilindric, s-a văzut că în timpul funcţionării motorului, rămân libere, adică se

transmit ramei motorului următoarele forţe şi momente [1,8,11,33,35]:

a) Forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie-alternativă care este:

cosrmF 2

1aia- de ordinul I şi

cosrmF 2

1aia - de ordinul II

b) Forţa centrifugă a maselor neechilibrat, în mişcare de rotaţie care este dirijată

perpendicular pe axa arborelui cotit, după raza manivelei.

Fir = mrr2

c) Momentul rezistent sau basculant, neechilibrat în interiorul motorului

şi care se transmite la saşiu sau rama motorului. El este egal şi de sens contrar cu

momentul motor şi dirijat contrar sensului de rotaţie al arborelui motor.

Mm=-Mrb=-Fnh

Toate aceste forţe şi momente schimbându-şi periodic sensul şi atingând valori

destul de mari, acţionează asupra organelor motorului şi asupra îmbinărilor dintre

ele, se transmit cadrului motorului şi tractorului sau automobilului. Prin acţiunea lor

se slăbesc înşurubările şi posibilitatea de defectare a maşinii este mult mai rapidă.

100

În afară de aceasta, vibraţiile provocate de aceste forţe periodice micşorează puterea

motorului.

Pentru înlăturarea acţiunii acestor forţe si momente, motorul se echilibrează,

reuşindu-se prin aceasta să se înlăture parţial sau total forţele şi momentele

neechilibrate ce apar în mecanismul bielă-manivelă.

Motorul echilibrat se numeşte acel motor, la care forţele ce se transmit ramei,

la un regim de lucru stabilizat, sunt permanente ca mărime si direcţie. Echilibrajul

motorului depinde de numărul şi dispoziţia cilindrilor şi de configuraţia arborelui cotit.

Echilibrajul se obţine prin adăugire de contragreutăţi pe prelungirile braţelor

arborelui, precum şi prin configuraţia pe prelungirile braţelor arborelui, precum şi prin

configuraţia corectă a acestuia, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii.

3.8.7 Energia cinetică a volantei

O volantă care se roteşte este deci în mişcare, deţine o rezerva de energie

cinetică. În general, energia cinetică a unui corp in mişcare se exprimă prin formula:

2

ME

2

v

în care: M este masa corpului, în kg

v - viteza liniara, în m/s.

În cazul unui corp care se roteşte în jurul unei axe, cum este volanta, ţinând cont

de faptul că viteza liniară se exprimă prin produsul dintre rază si viteza unghiulari,

v = R , energia cinetică a volantei se va scrie sub forma:

97.322

222 MRME v

v

în care: M este masa volantei, în kg;

v - viteza liniară la obada volantei, în m/s;

R - raza volantei considerată ca distanţa centrului de greutate a secţiunii

obezii volantei pană la axa geometrică de rotaţie, în m;

w - viteza unghiulară de rotaţie a volantei, în rad/s.

3.9. Mecanismul de distribuţie a gazelor

Mecanismul de distribuţie asigură introducerea aerului sau amestecului

carburant în interiorul cilindrului şi evacuarea gazelor arse, la timp precis, în cantităţi

strict determinate şi intr-o anumită ordine.

101

Fig.3.35. Schema mecanismului de distribuţie inferioară

Fig.3.36. Schema mecanismului de distribuţie superioară

Pentru fiecare marcă de motor, sunt stabilite faze de distribuţie optime,

datorită cărora procesele din interiorul cilindrului decurg în aşa fel încât motorul

dezvoltă puterea maximă.

La motoare de tractor şi automobil se întâlnesc trei feluri de mecanisme de

distribuţie şi anume: cu supape, cu ferestre sau orificiu şi mixt.

102

La motoare în 4 timpi se, foloseşte distribuţia cu supape. Ea poate fi realizată în

două variante constructive şi anume:

Distribuia inferioara, având supapele aşezate lateral în blocul motorului

(fig.3.35). Acest tip este folosit Ia motoarele cu carburator. Constructiv este mai

simplu, ceea ce duce la micşorarea greutăţii motorului. Prezintă însă dezavantajul că

se obţine o cameră de ardere de formă mai întinsă, din care cauză procesele de ardere

durează mai mult, admisia aerului se face cu rezistenţă mare, iar în timpul arderii se

creează condiţii de apariţia detonaţiei. Din aceste motive, motoarele cu distribuţie

inferioară au gradul de compresie mic ( = 6,3-6,5) deci lucrează mai puţin

economic.[1,21,27,33]

Distribuţia inferioară sau suspendată, având supapele aşezate în capul

motorului (fig. 3.36). Distribuţia cu supapele în cap se foloseşte la motoarele cu

carburator şi exclusiv la motoarele Diesel. Acest tip este cel mai mult folosit astăzi

Ia motoarele de tractor, deoarece permite obţinerea unei camere de ardere mai

compacte, având calităţi antidetonante ridicate. Ca urmare, motorul poate avea un

grad de compresie mai ridicat ( = 7,5-8,2 ta motoare cu carburator şi = 17-21 la

Diesel) o putere litrică mai mare şi un consum specific mai mic.

Mecanismul de distribuţie se compune din două grupe de piese, a căror număr,

formă şi rol variază după tip marcă.

l. La distribuţia inferioară (fig.3.35) în prima grupă intră; supapele de

admisie şi evacuare I, ghidul supapei 2, arcul supapei 3, talerul 4 şi siguranţele

de fixare 5.în grupa a doua intră: împingătorul sau tachetul 6, axul cu came sau axul

de distribuţie 7 şi angrenajele 9 de transmiterea mişcări de la arborele cotit la axul cu

came.

Funcţionarea mecanismului de distribuţie inferioară se face astfel:

- supapa I sub presiunea arcului 3 este apăsată strâns în locaşul său. Prin

intermediul roţilor dinţate mişcarea de rotaţie de la arborele cotit se transmite axului

cu came 7. Cama 8 m timpul rotaţiei atacă tachetul 6 si-l ridică, iar acesta din urmă

apasă asupra capătul inferior al tijei supapei, învinge tensiunea arcului 3 şi ridică

supapa, care în acest fel deschide orificiul (de admisie sau de evacuare) obturat,

stabilind legătura între conductă (admisie sau evacuare) şi interiorul cilindrului.

2. Distribuţia superioară (fig.3.36) cuprinde următoarele piese în prima grupă:

supapele l de admisie şi evacuare, ghidul supapei 2, arcul supapei 3, talerul 4 şi

siguranţa de fixare, culbutorul 5 cu şurubul de reglare 6, axul culbutorului 7, suporţii

axului culbutorului S. Toate aceste piese sunt aşezate pe capul cilindrului.

în grupa a doua intră: tija 9, tachetul 10, axul cu came 11, angrenajele de

transmiterea mişcării 12.

Ca funcţionare, deosebirea constă în aceea că mişcarea de rotaţie a arborelui

cotit este transmisă prin angrenaje la axul cu came, apoi la tacheţi 10, iar de la aceştia

la tija 9, care la rândul ei transmite mişcarea către culbutorul 5. Culbutorul fiind o

pârghie cu două braţe, atunci când este ridicata de un capăt, oscilează în axul său şi

coborând capătul al doilea apasă pe tija supapei şi învingând tensiunea arcului 3, ridică

supapa I, de pe locaşul ei. La orice motor, supapa este deschisă total în momentul când

103

tachetul se găseşte pe vârful camei. După ce cama trece cu vârful ei de sub tachet, acesta

începe să coboare şi supapa începe să se închidă.

3.9.1 Diagrama fazelor de distribuţie

Momentele deschiderii şi închiderii supapelor şi durata operaţiunilor

componente a. proceselor termice pe un ciclu de funcţionare, denumite faze, se

reprezintă pe diagrama circulară (numită ciclogramă) de distribuţie.

Fig.3.37. Diagramele circulare ale fazelor de distribuţiei a motoarelor de tarctor

şi automobil folosite în ţara noastră

Diagramele circulare ale fazelor de distribuţie de la motoarele tractoarelor şi

automobilelor folosite la noi în ţară sunt arătate în figura 3.37. Diagramele de distribuţie

arată poziţia pistonului în cilindru exprimată prin unghiuri de rotaţie a arborelui cotit,

în raport cu punctele moarte superior şi inferior. Ele servesc pentru punerea la punct

si reglajul distribuţiei unui motor.

3.10 Sistemul de alimentare

3.10.1 Generalităţi

Sistemul de alimentare la tractoare şi automobile are rolul de a păstra în

imediata apropiere a motorului o rezervă de combustibil, de a condiţiona (filtra)

104

combustibilul şi al introduce fie sub formă de amestec gata pregătit (la motoare

cu carburator), fie separat (la motoare Diesel) în interiorul cilindrilor motorului.

[2,4,9,12]

Sistemul de alimentare se compune din: rezervoare, filtre de aer şi

combustibil, pompe de combustibil, iar în funcţie de felul ciclului care stă la baza

funcţionării motorului respectiv, se află carburatorul sau pompa de injecţie şi

injectorul.

Toate organele componente sunt legate între ele prin conducte corespunzător cu

felul şi locul de formare al amestecului, este diferită şi construcţia sistemului de

alimentare, totuşi o serie de organe sunt comune tuturor motoarelor termice cu

ardere internă, indiferent de ciclul de funcţionare şi numărul de timpi ai motorului.

Organele comune sunt: rezervoarele de combustibil, filtrele de aer si conductele

de legătura. Celelalte organe au caracteristici constructive specifice fiecărui tip de

motor.

3.10.2 Carburaţia

Procesul formării amestecului carburant, în afara cilindrilor motorului, se

numeşte carburaţie. La acest proces iau parte două elemente componente: aerul şi

combustibilul.

Dispozitivul pentru pregătirea amestecului se numeşte carburator şi are rolul

de a pulveriza şi a vaporiza cât mai bine benzina şi de a o amesteca cât mai omogen cu

aerul.

Trecând un curent de aer deasupra unui vas deschis în care se află benzina, dacă

suprafaţa deschisă a vasului este mică, iar viteza aerului este mare, în acest caz curentul

de aer va antrena cu el continuu în particule mici de benzină formând un jet de pulbere

fină.

Această proprietate a lichidului de a se pulveriza într-un curent de aer stă la

baza construcţiei carburatorului. Procesul carburaţiei se numeşte pulverizare, iar

carburatorul la rândul lui: carburator pulverizator,

3.10.3 Componenţa amestecului carburant necesar la diferite regimuri de

lucru ale motorului

Cerinţa de bază faţă de un carburator este aceea ca el sa fie în stare de a pregăti

amestecul carburant cel mai convenabil pentru orice regim posibil de funcţionare a

motorului, asigurând în fiecare caz o pulverizare fină a combustibilului şi

amestecarea lui cu aerul. [3,5,9]

Regimul de pornire al motorului. Este unul dintre regimurile de funcţionare oarecum

anormale, la pornire motorul este rece, turaţia motorului este mică, deci viteza

aerului şi depresiunea în difuzorul carburatorului vor fi de asemenea mici. Aceasta

înseamnă că pentru formarea amestecului carburant sunt condiţii grele.

105

Combustibilul va fi absorbit cu greu din jicler, se va pulveriza slab. Deoarece

motorul este rece, are loc o condensare a combustibilului pulverizat şi parţial

vaporizat. Din aceste cauze, spre a asigura pornirea motorului, este necesar ca în

camera de amestec să sosească o asemenea cantitate de combustibil, încât chiar la

vaporizarea numai a fracţiunilor celor mai volatile a combustibilului, să se obţină un

amestec capabil să se aprindă în cilindru.

Aceasta înseamnă că este necesar să se introducă o cantitate mai mare de

combustibil faţă de cea normală necesară, deci amestecul trebuie să fie bogat şi

chiar foarte bogat, coeficientul excesului de aer fiind a = 0,75-0,80.

Funcţionarea motorului în sarcină mică. Acest regim corespunde deschiderii

paletei de amestec cu 20-20%, din deschiderea completă.

La acest regim, datorită deschiderii mici a paletei de acceleraţie, depresiunea şi

viteza aerului în difuzor vor fi mai mici şi nu se va putea face o pulverizare buna a

combustibilului.

Acest lucru ne arată necesitatea îmbogăţirii amestecului. Pentru obţinerea unui

regim de lucru stabilizat, în aceste condiţii trebuie să avem un amestec îmbogăţit,

cu coeficientul excesului de aer = 0,90-0,95.

Funcţionarea motorului la sarcină normală. Acest regim corespunde sarcinilor

mai mari, aproximativ 80-85% din puterea motorului. Paleta de amestec se deschide

65-70% din deschiderea totală. La acest regim, motorul lucrează în cea mai mare

parte din timpul exploatării lui, când se consuma cea mai mare parte din combustibil.

De aceea, la acest regim motorul trebuie să aibă o funcţionare economică, cu

coeficientul de 1,05-1,10. Regimul termic al motorului la turaţii şi sarcini medii este

stabilizat şi este posibilă obţinerea unei pulverizări si vaporizări uşoare a

combustibilului din amestec.

La acest regim e posibil să obţinem o ardere normală şi completă a amestecului

din cilindri, chiar dacă amestecul este puţin sărac (a = 1,10).

Funcţionarea motorului la sarcina maximă. În timpul funcţionării motorului,

pentru a învinge sarcinile mari, trebuie să obţinem puterea maximă pe care

motorul este capabil să o dezvolte.

În acest caz paleta de acceleraţie se deschide total, iar amestecul carburant

pregătit de carburator trebuie să fie bogat, ceea ce corespunde la coeficientul

excesului de aer, a = 0,80-0,85.

Regimul de funcţionare a motorului la mersul în gol. La mersul în gol (mers

încet) când motorul este fără sarcină, paleta de acceleraţie este deschisă puţin, sub

20% din deschiderea ei totală.

Deoarece depresiunea şi viteza aerului în carburator sunt mici, paleta de

acceleraţie fiind aproape închisă, cantitatea de amestec care intră în cilindru va fi

mică. În cilindru ea se amesteca cu gazele arse, neevacuate, rămase de la ciclul

anterior.

Motorul fiind mai rece, au loc condensări ale părţilor volatile, ceea ce

depreciază calitatea compoziţiei amestecului.

106

Dacă această cantitate mică de amestec va fi săracă în combustibil, atunci

capacitatea de aprindere şi viteza de ardere a amestecului vor fi mai mici, iar presiunea

în urma arderii fiind slabă, vor fi posibile întreruperi în funcţionarea motorului, care

duc la funcţionarea neechilibrată sau oprirea lui.

Un amestec mai bogat va da presiuni mai înalte la ardere, îşi va mări capacitatea

lui la aprindere şi nu vor mai fi întreruperi în funcţionarea motorului.

Din aceste motive la regimul de mers în gol motorul trebuie să fie alimentat cu

un amestec îmbogăţit corespunzător unui coeficient al excesului de aer: a = 0,85-0,90.

3.10.4 Compoziţia amestecului carburant pregătită de un carburator simplu

La un carburator simplu, prevăzut cu o cameră cu plutitor, cameră de

amestec şi un singur jicler, cu diametru potrivit putem obţine o formare bună a

amestecului carburant, însă numai la o anumită turaţie a arborelui cotit,

corespunzătoare regimului normal de lucru. [2,24,29,32]

Un motor, în timpul funcţionării sale, întâmpină diferite rezistenţe. Dacă

motorul este pe tractor sau automobil, atunci rezistenţele variază în funcţie de

viteza de deplasare, sarcina la cârligul de tracţiune la tractor, sau încărcarea

automobilului, de natura terenului pe care se deplasează etc.

Se spune că motorul lucrează la sarcină variabilă. Corespunzător acestor

condiţii, se schimba puterea dezvoltată de motor şi turaţia motorului.

Deci, puterea şi turaţia motorului sunt determinate pe de o parte de cantitatea

de amestec carburant care va intra în cilindrii motorului, iar de altă parte de mărimea

rezistenţei care trebuie învinsă de motor la un moment dat.

Cantitatea de amestec carburant introdusă în cilindri va fi cu atât mai mare,

cu cât se va deschide mai mult paleta de acceleraţie. Dar cu cât se deschide mai

mult paleta de acceleraţie, cu atât depresiunea în difuzorul carburatorului va fi mult

mai mare şi prin difuzor va trece o cantitate mai mare de aer în unitatea de timp.

Însă, odată cu aceasta se va mări şi viteza de scurgere a combustibilului din

jicler, care va fi absorbit mai puternic încât componenţa amestecului carburant se va

schimba, având tendinţa de a se îmbogăţi.

La închiderea paletei de acceleraţie (deci şi la scăderea turaţiei) depresiunea în

difuzor se va micşora, scurgerea combustibilului va fi mai slabă iar amestecul carburant

va avea tendinţa să devină mai sărac.

Asemenea schimbare a componenţei amestecului carburant în primul rând se

explică prin aceea că prin mărirea depresiunii în carburator, greutatea specifică a aerului

se micşorează, iar greutatea specifică a combustibilului practic rămâne aceeaşi,

înseamnă că într-o unitate de timp (secundă, minut, oră) în camera de amestec a

carburatorului vor intra asemenea cantităţi de aer şi combustibil, încât amestecul devine

bogat.

Prin urmare, un carburator elementar al cărui jicler a fost tarat pentru a

permite trecerea unei cantităţi de combustibil corespunzătoare formării amestecului

107

normal la turaţie nominală a motorului, pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie va

pregăti un amestec din ce în ce mai bogat.

La turaţia maximă când paleta de acceleraţie va fi deschisă total, amestecul

carburant va deveni atât de bogat încât combustibilul nici nu se va putea aprinde din lipsă

de aer, iar motorul se va opri din funcţionare.

La acelaşi rezultat se va ajunge în sens invers, când turaţia scade şi

amestecul devine mai sărac.

Rezultă că un Carburator elementar nu poate face faţă condiţiilor diferite

de funcţionare a motorului, a cărui regim ca sarcină sau ca viteză (turaţie)

variază în limite destul de mari.

Pentru ca un carburator să poată pregăti la diferite regimuri de

funcţionare a motorului, amestecul carburant de componenţa

corespunzătoare, el se echipează cu o serie de dispozitive speciale.

Cu ajutorul lor, carburatorul are posibilitatea să menţină componenţa normală a

amestecului, precum şi să o schimbe în funcţie de regimul de lucru

3.10.5 Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul curentului de aer

Carburatoarele se caracterizează prin direcţia şi sensul curentului de aer care

trece prin ele în timpul funcţionarii motorului. [2,24,29,32]

Carburatoarele în care aerul intră (în carburator) lateral sau de jos, însă

întotdeauna trece prin difuzor, de jos în sus, încât şi amestecul carburant format se

scurge în sus, se numesc carburatoare verticale având curentul de aer ascendent. La

acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea superioară. Carburatoarele la

care curentul de aer intră lateral sau de sus, şi întotdeauna trece prin difuzor de sus

în jos, deci şi amestecul carburant format se scurge de sus în jos, se numesc

carburatoare inversate sau având curentul în cădere.

La acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea inferioară, iar

carburatorul se montează deasupra cilindrilor motorului.

Carburatoarele la care aerul intră lateral si are o mişcare pe direcţie

orizontală, deasemenea se mişcă pe orizontală şi amestecul carburant, se numesc

carburatoare orizontale, având centrul orizontal.

Indiferent de tipul carburatorului, principiile de funcţionare a

carburatorului elementar şi a dispozitivelor cu care se echipează, rămân aceleaşi.

De cele mai multe ori se întâlnesc carburatoare direct-verticale.

Pe automobile încep să fie întrebuinţate în măsură mare carburatoarele

inversate, prin poziţia lor, accesul la carburator, verificarea şi îngrijirea lor este mai

uşoară.

Deasemenea, după unele date experimentale, carburatoarele inversate

permit o umplere mai bună a cilindrilor cu amestec carburant obţinându-se de la motor

o putere întrucâtva mai mare.

108

Fig.3.38. Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul de mişcare al

amestecului carburant a-direct ascendent; b- inversat-descendent; c- orizontal

3.10.6 Metodele şi dispozitivele de reglare a compoziţiei amestecului

Schimbarea compoziţiei amestecului cu ajutorul dispozitivelor ce se prevăd la

carburatorul elementar se numeşte: compensarea amestecului.

Compensarea amestecului se face prin următoarele metode: compensarea prin

frânarea pneumatică a combustibilului, compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului

suplimentar numit jicler compensator şi compensarea amestecului prin schimbarea

secţiunii difuzorului.

Compensarea prin frânarea pneumatică a combustibilului

Fig.3.39 Schema carburatorului cu dispozitiv de compenasare prin frânare

pneumatică[2,24]

La acest carburator, combustibilul din camera plutitorului 3, după ce iese din

jiclerul principal 4, pătrunde în tubul de pulverizare 6 şi într-un canal intermediar

vertical 5, numit puţ aerian.

Canalul intermediar la partea superioară are un orificiu calibrat numit jicler

de aer (de frânare) 2, care este în legătură cu atmosfera şi prin care intră aer, în

cantitate strict determinată de secţiunea lui. Când motorul nu funcţionează, nivelul

109

combustibilului este acelaşi în camera de nivel constant 3, în canalul intermediar J

şi în tubul pulverizator 6.

În timpul funcţionării motorului, când depresiunea din camera de amestec

creşte, combustibilul soseşte într-o cantitate mică din camera de nivel constant 3

datorită secţiunii înguste a jiclerului principal 4.

În acelaşi timp, combustibilul se consumă într-o cantitate mai mare din canalul

intermediar 5 şi din tubul pulverizator 6, şi nivelul lui în canalul intermediar 5 scade.

Aerul care pătrunde în coloana puţului intermediar de frânare 5, prin jiclerul

de frânare 2, se scurge împreuna cu combustibilul prin tubul pulverizator 6,

favorizează o mai bună pulverizare a combustibilului şi totodată micşorând

depresiunea la orificiul calibrat 4 frânează scurgerea combustibilului. Secţiunea

fiecărui jicler: principal 4 şi de frânare 2, se aleg în aşa fel încât la regimul nominal de

funcţionare a motorului (la sarcină nominală) carburatorul dă amestecul de carburant

normal.

Compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului compensator

Fig.3.40. Schema carburatorului cu jicler compensator[2,24]

Jiclerul compensator are rolul de a modifica cantitatea de combustibil ce

intră în carburator, în funcţie de schimbarea poziţiei paletei de amestec. La acest

carburator, combustibilul din camera de nivel J intră concomitent, în conducta

jiclerului principal 3 direct, iar în puţul 5 şi tubul pulverizator 4 prin jiclerul

compensator Z în timpul funcţionării motorului, în carburator se creează o

depresiune, datorită căreia din jicler începe să se curgă combustibil care se va

amesteca cu aerul în camera de amestec.

Dacă carburatorul ar fi avut un singur jicler principal 7, atunci pe măsura

deschiderii paletei de amestec 8 şi vitezei aerului, amestecul s-ar îmbogăţi continuu.

Cu ajutorul jiclerului compensator e posibilă menţinerea unui amestec

constant, independent de viteza aerului din difuzor. Astfel la o deschidere mică a

paletei de amestec, combustibilul este absorbit din ţevile ambelor jiclere. Pe măsura

110

deschiderii paletei, depresiunea în difuzor creşte şi totodată se măreşte şi consumul

de combustibil din ambele jiclere.

La ţeava 3 a jiclerului principal 7, combustibilul soseşte tot timpul uşor,

fără a întâmpina nici o rezistenţă, pe când în tubul compensator 4, combustibilul

vine mai greu, fiind dozat înainte de a intra în puţul compensator 5, prin jiclerul

compensator 2.

Ca urmare, corespunzător consumului, tubul jiclerului compensator 4 nu va

fi completat suficient cu combustibil, încât nivelul combustibilului din puţ şi din

tubul jiclerului compensator începe să scadă.

La deschiderea mai mare a paletei de amestec, datorită depresiunii mari în

difuzor, tot combustibilul din puţul compensator va intra în camera de amestec, iar

în continuare, prin puţul compensator şi prin conductă jiclerului compensator, va

sosi aerul care va antrena în mod continuu o cantitate mică de combustibil, formându-

se o emulsie.

Mărind şi mai mult deschiderea paletei de amestec, depresiunea se va mări

continuu şi calitatea de aer debitată prin tubul jiclerului compensator va creşte, pe

când cantitatea de combustibil antrenată de acest aer rămâne constantă, înseamnă că

pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie, amestecul care soseşte din tubul

jiclerului compensator devine din ce în ce mai sărac.

Rezultă că la creşterea turaţiei motorului, jiclerul principal tinde tot timpul să

îmbogăţească amestecul, iar jiclerul compensator acţionează invers, tinde să

sărăcească amestecul.

Compoziţia amestecului luat în întregime se obţine ca o medie a celor două,

rezultând un amestec carburant normal.

3.10.7 Compensarea amestecului prin schimbarea automată a secţiunii

difuzorului

Schema carburatorului cu secţiune variabila a difuzorului este arătată în

figura3.41, iar funcţionarea este următoarea:

Fig.3.41. Scema carburatorului cu difuzor variabil în secţiune

111

Din camera de nivel constant, combustibilul trecând prin jiclerul 2 si tubul

pulverizator 3 este antrenat de curentul de aer, în centrul difuzorului formându-se

amestecul carburant.

Difuzorul este compus din patru plăci fasonate 4, articulate pe axele 5, în jurul

cărora se pot roti. Poziţia plăcilor este determinată de arcurile 6.

La turaţie mică a motorului datorită arcurilor, plăcile sunt apropiate şi secţiunea

difuzorului este minimă.

La creşterea sarcinii sau a turaţiei, depresiunea în camera de amestec

mărindu-se, se măreşte şi viteza aerului care trece prin difuzor.

Ca urmare, plăcile se îndepărtează comprimând arcurile şi prin aceasta se

măreşte secţiunea difuzorului. Prin mărirea debitului de aer, datorită creşterii

secţiunii difuzorului, depresiunea în camera de amestec se micşorează şi prin aceasta

se micşorează şi consumul de combustibil iar amestecul devine mai sărac.

Calitatea necesară a amestecului se obţine prin alegerea corespunzătoare a

plăcilor şi arcurilor. Un asemenea carburator asigură formarea amestecului

corespunzător în bune condiţiuni la turaţie nominală a motorului (la sarcină medie)

însă la sarcina mare amestecul se obţine prea sărac, din care motiv această metodă

de compensare a amestecului se foloseşte în combinaţie cu alte metode cum ar fi

metoda includerii în funcţiune a jiclerelor în mod succesiv.

3.10.8 Dispozitivul pentru funcţionarea carburatorului la mers în gol

În timpul opririlor de scurtă durata a tractorului sau autocamionului, motorul se

trece pe regim de funcţionare în gol (fără sarcină sau relanti).

Deoarece motorul funcţionează fără sarcină, este necesar o cantitate mică de

amestec, din care motiv paleta de acceleraţie este aproape total închisă.

Prin aceasta, depresiunea în camera de amestec este foarte mică, încât

combustibilul nu poate fi absorbit din jiclerul principal, nici din cel compensator. Ca

urmare, amestecul carburant, devine foarte sărac cu care motorul nu poate funcţiona.

Pentru a fi posibilă funcţionarea motorului la mers în gol, carburatorul trebuie să aibă

dispozitiv special de mers în gol.

Acest dispozitiv (fig.3.42) este un jicler 9, prevăzut la capătul tubului 10, care

se alimentează de la camera de nivel constant prin puţul lateral II, şi care comunică

prin orificiul 12 deasupra paletei de acceleraţie 8.

La mers în gol fiind necesara o cantitate mică de amestec, orificiul calibrat 9 cu

jicler de mers în gol ar trebuie să fie foarte mic, dar atunci va exista pericolul înfundări

lui, din care cauză secţiunea jiclerului se face mai mare.

112

Fig3.42. Schema carburatorului cu jicler de mers în gol

Spre a evita îmbogăţirea excesivă a amestecului 10, soseşte aer din atmosferă

sau din interiorul carburatorului prin orificiul de intrare a aerului 13, care este reglat

cu ajutorul unui şurub 14 cu vârf conic. Aerul admis prin orificiul 13 micşorează

depresiunea deasupra jiclerului de mers în gol şi temperează scurgerea

combustibilului în exces. Prin aceasta e posibil ca secţiunea jiclerului de mers în gol

să se facă ceva mai mare.

În acelaşi timp, aerai şi combustibilul formează emulsie, care datorita

depresiunii mari deasupra paletei de acceleraţie, se scurge prin orificiul 12 şi

întâlnindu-se cu aerul ce scapă între pereţii camerei de amestec si paleta de

acceleraţie 8, formează un amestec bogat ce trece în cilindri.

Calitatea amestecului necesar pentru mers în gol se obţine prin reglarea

poziţiei şurubului cu vârf conic 14 care limitează mai mult sau mai puţin secţiunea

pentru trecerea aerului în tubul de mers în gol W. La înşurubare, secţiunea se

micşorează iar amestecul se îmbogăţeşte şi invers.

De remarcat faptul că o deschidere relativ mică a paletei de acceleraţie

provoacă o debitare simţitoare a aerului din camera de amestec, ceea ce opreşte

sosirea combustibilului prin tubul de mers în gol.

Aceasta produce deranjări în funcţionarea motorului la mers în gol sau

chiar oprirea lui. Spre a evita oprirea motorului la trecerea de la mers în gol la

regim de sarcină, la multe carburatoare se prevăd două orificii de pulverizare

(fig.4.5) iar poziţia paletei de acceleraţie la regim de mers în gol se află între ele.

În prima situaţie, când paleta este mai mult închisă emulsia de combustibil

trece numai prin orificiul superior a, iar prin orificiul inferior b, soseşte în plus

aer care emulsionează mai puternic combustibilul.

Când paleta de acceleraţie se deschide mai mult, cum se întâmpla la

trecerea progresivă către regimul de sarcină, atunci ambele orificii vor fi deasupra

paletei, deci în zona depresiunii maxime şi emulsia va fi absorbită prin ambele

113

orificiu deci cantitatea ci creşte iar motorul capătă turaţie în mod progresiv şi

poate fi pus în sarcină tară pericol de a se opri.

Dispozitive de îmbogăţirea amestecului ta pornire La pornire, motorul este

rece, fiind rotit cu o turaţie mică depresiunea formală în difuzor este mică şi

viteza aerului care trece prin difuzor este de asemenea mică. Din aceste motive

tubul de pulverizare a jicleruluî principat se scurge o cantitate mică de combustibil

care se pulverizează slab. Rezultă un amestec sărac care nu poate asigura arderi

intense în cilindru.

Deasemenea, viteza mică de sosire a amestecului carburant în cilindri şi

temperatura scăzută a conductelor de admisie favorizează condensarea

fracţiunilor volatile, iar amestecul devine şi mai sărac.

Îmbogăţirea amestecului la pornire se face cu ajutorul următoarelor

dispozitive: paleta de aer 7, (fig.3.43), prin închiderea căreia se creează o

depresiune puternica în difuzor, ceea ce favorizează o scurgere intensă de

combustibil din tubul de pulverizare a jiclerului principal.

Paleta de aer se montează pe un ax în conducta de intrare a aerului în

carburator şi este comandată prin tije de la conductor. Imediat, după ce motorul a

pornit, paleta de aer trebuie adusă în poziţia total deschisă.

În acelaşi scop, de îmbogăţire a amestecului la pornire, se foloseşte butonul

de cufundare a plutitorului în camera de nivel constant.

Prin acţionarea butonului se ridică în mod artificial nivelul combustibilului

în camera de nivel, ceea ce provoacă o scurgere în surplus a lui prin tubul de

pulverizare a jiclerului principal şi amestecul carburant se îmbogăţeşte.

3.10.9 Dispozitive de îmbogăţirea amestecului la creşterea bruscă a sarcinii

Când motorul trece brusc de la turaţii mici la turaţii mari, se creează condiţii

de lucru mai grele pentru carburator, care în timp foarte scurt trebuie să asigure un

amestec de o compoziţie corespunzătoare noului regim.

Capacitatea motorului de a-şi mări brusc turaţia, fără a dăuna funcţionării lui

normale, prezintă o importanţă mare deoarece prin aceasta, motorul poate căpăta

mai repede o accelerare, se va adapta mai repede schimbării de regim şi va fi mai

bun în exploatare.

La deschiderea bruscă a paletei de amestec depresiunea în difuzor se măreşte

foarte mult. Aerul fiind mai uşor decât combustibilul, se adaptează mai repede noii

depresiuni create şi pătrunde imediat în cantităţi necesare, pe când combustibilul,

având inerţie mai mare, se adaptează mai greu.

De aceea, imediat după deschiderea bruscă a paletei, amestecul devine sărac

şi se înrăutăţesc condiţiile de ardere a amestecului, mai ales din cauză că motorul a

funcţionat la turaţii mici mai înainte şi regimul termic al lui a scăzut, şi oarecum

s-a răcit.

Toate acestea provoacă scăderea turaţiei arborelui cotit, funcţionarea

neregulată a motorului, au loc rateuri în carburator, care pot duce chiar la oprirea

114

lui. Pentru a evita funcţionarea anormală a motorului, când are loc o trecere rapidă

la turaţii mari, carburatoarele se prevăd cu o pompă de accelerare (fig.4.6), care

se compune dintr-un cilindru /, ce comunică printr-un canal în camera de nivel

constant şi un piston 2, ce se deplasează în cilindru.

Fig.3.43 Schema carburatorului cu pompă de accelerare[24]

La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, mişcarea se transmite prin

pârghii şi tijă (a placa de comandă 3 a pompei).

Arcul 4 acţionează asupra pistonului 2 al pompei, care coboară brusc.

Combustibilul de sub piston este împins prin supapa de refulare 6 şi prin jiclerul

pompei 7 în camera de amestec, sub forma unui jet puternic.

Totodată, sub presiunea combustibilului supapa de reţinere 5 se ridică şi

lansează locaşul ei încât combustibilul de sub piston nu poate să treacă înapoi în

camera plutitorului. Combustibilul suplimentar pulverizat prin jiclerul pompei 7,

favorizează îmbogăţirea amestecului, asigurând în felul acesta o bună repriză a

motorului.

3.10.10 Dispozitive care asigura îmbogăţirea amestecului la sarcina maximă

Carburatorul trebuie să asigure realizarea unei mari economii de combustibil

la sarcini medii, pe seama sărăcirii amestecului şi dezvoltarea unei puteri maxime

la sarcină mare, pe seama îmbogăţirii amestecului.

Aceasta se obţine fie prin schimbarea secţiunii jiclerului în timpul

funcţionarii motorului, metodă greoaie care cere multă atenţie şi dexteritate din

partea conducătorului, fie cu ajutorul dispozitivelor speciale care funcţionează

automat.

Un regim economic este necesar la sarcini medii şi mari, deoarece în această

condiţie motorul de automobil şi de tractor lucrează cea mai mare parte din timp.

În cazul când trebuie să obţinem o putere maximă spre a învinge creşterea sarcinii,

la carburator se deschide complet paleta de amestec, iar îmbogăţirea amestecului

o face economizorul.

Economizorul poate fi acţionat pe cale mecanică sau pe cale pneumatică.

Un economizor acţionat pneumatic este construit şi funcţionează astfel: în timpul

115

funcţionării motorului cu paleta de amestec IO, deschisa parţial (fig.3.44),

depresiunea puternică existentă dincolo de paleta de amestec se transmite prin

canalul 7 în spaţiul deasupra pistonului 4, a pompei de accelerare.

Fig.3.44. Schema carburatorului cu economizator acţionat pneumatic

Datorită depresiunii, pistonul 4 se ridică învingând rezistenţa arcului 3, iar

supapa economizorului 6 se închide, sub acţiunea arcului 8. Combustibilul din

camera plutitorului nu pătrunde la jiclerul de putere 9 şi acesta nu mai funcţionează.

Deoarece combustibilul vine la pulverizator (numai de la jicleru) principal

11, amestecul se sărăceşte. Când paleta de amestec se deschide, depresiunea dincolo

de ea şi deasupra pistonului se micşorează şi arcul 3 al tijei pistonului, se destinde

şi trage pistonul în jos.

Tija pistonului coborând deschide progresiv supapa economizorului 6, prin

care combustibilul pătrunde în jiclerul de putere 9 şi îmbogăţeşte amestecul,

motorul dezvoltă putere mare necesară pentru învingerea sarcinii maxime.

La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, economizorul înlocuieşte

rolul pompei de accelerare. Principiul de construcţie şi funcţionare a unui

economizor cu acţionare mecanică este reprezentat în figurat:3.45.

116

Fig.3.45 Schema carburatorului cu economizor acţionat mecanic

Combustibilul din camera de nivel constant I, alimentează prin jiclerul 2, tubul

principal de pulverizare 5 în aşa mod încât amestecul carburant care se formează este

puţin sărac, ceea ce asigură un maximum de economie de combustibil la sarcină

medie a motorului.

La creşterea sarcinii, pentru 8 se obţine puterea maximă a motorului, paleta de

acceleraţie 4 se deschide total şi prin pârghia S fixată pe axul paletei, acţionează

asupra tijei 6 a pistonului pompei de accelerare 7.

Aceasta coborând în jos deschide supapa de refulare şi combustibilul prin

jiclerul economizorului 9 şi prin tubul pulverizator 10 trece în camera de amestec.

Prin aceasta, amestecul se îmbogăţeşte mai mult sau mai puţin după cum va

fi deschisă şi paleta de acceleraţie care va comanda deplasarea pistonului 7 pe cursă

mai mare sau mai mică.

Compoziţia amestecului combustibil se determină prin calibrarea jiclerelor

2 şi 9 prin care combustibilul soseşte la camera de amestec în parale l

3.10.11 Alimentarea m.a.s. prin injecţie de benzină

Injecţia de benzina, cunoscută şi sub numele carburaţie mecanică, îşi are

începuturile între anii 1898-1901, când firma Deutz foloseşte pentru prima dată

instalaţi prin injectarea benzinei la motoarele de serie stabilite.

Sistemul este adoptat de constructorii de avioane, care îl aplică în 1906-1910,

la motoarele de avion Antoinelte şi Wrighl, iar apoi la motoarele Junkers.

În 1937 s-a construit prima motocicleta cu injecţie de benzină 51 injectoare

electromagnetice, în timp ce uzinele Daimler-Benz şi Auto-Union echipează câteva

automobile cu injecţie de benzină.

Injecţia de benzină se impune constructorilor motoarelor de automobile abia

în anii 1950, datorită rezultatelor obţinute de Mercedes-Benz cu MB 300 ŞL.

Deceniul anilor 70 aduce noutatea dotării autovehiculelor cu sisteme de

injecţie de benzină cu comandă electronică. Marile firme constructoare de

automobile Daimler-Benz, BMW, OPEL, PORSCHE, VW/AUDI, GM, CITROEN,

PEUGEOT, RENAULT, SAAB, VOLVO, JAGUAR, NISSAN, DATSUN, TOYOTA

realizează în serie automobile cu injecţie de benzină.

Răspândirea injecţiei de benzină a fost şi este "temporizată" de competiţia cu

carburatorul care implică preţuri de cost mai reduse.

Lansarea injecţiei de benzină se datorează noilor relaţii "om-natură-

automobil" şi necesităţii realizării (în condiţiile crizei de combustibil) unor

autovehicule mai economice.

117

3.10.12 Alimentarea cu combustibil a motorului diesel

De la rezervor până la interiorul cilindrului, motorina trece printr-o serie de

dispozitive şi aparate care au drept scop să o condiţioneze atât din punct de vedere al

purităţii (filtrare) cât şi al stării ei (pulverizare).[1,10,32,36]

Pompa de alimentare. Deşi la majoritatea tractoarelor cu motor Diesel rezervorul

este aşezat mai sus decât pompa de injecţie, motorina nu se transmite prin cădere, ci

printr-o pompă de alimentare.

Necesitatea pompei de alimentare este determinată de rezistenţa ce o întâmpină

motorina la trecerea ei prin filtre, mai ales când suprafaţa de filtrare a lor este îmbibată

cu impurităţi.

Pompele de alimentare pot fi de trei feluri: cu piston, cu roţi dinţate şi cu palete.

Cel mai răspândit este tipul de pompă cu piston.

În figura 3.46. este arătată schema pompei de alimentare cu piston a motoarelor

D110. În cilindru corpului pompei 8 se află un piston 10. În faţa pistonului este montat

arcul 17.

Corpul pompei este închis prin dopul filetat 3. În spatele pistonului este fixat

împingătorul cu rolă 13 ce se termină cu o tijă 16, care se sprijină în fundul pistonului.

Arcul 14 al tijei apasă permanent împingătorul cu rolă şi îl menţine în contact cu cama

22, care acţionează pompa. Cilindrul are două ventile: unul de aspiraţie 7 şi al doilea de

refulare 1, fiecare ventil este presat pe locaşul cu câte un arc. Arcul 17 este aşezat între

pistonul 10 şi dopul filetat 3, arcul împingătorului 14 între corpul rolei şi peretele

despărţitor al corpului pompei arcul ventilului de admisie, între ventil şi locaşul său iar

arcul ventilului de refulare, între ventil şi dopul filetat de închidere 19.

Funcţionarea pompei are loc în felul următor: sub acţiunea camei 22, a doua a

pompei de injecţie, împingătorul cu rota 13, prin tija 16, deplasarea pistonului 70, înainte.

Fig.3.46. Pompa de alimentare, cu piston.

118

Prin aceasta arcul 17 se comprimă şi combustibilul cuprins în spaţiul 4 de

deasupra pistonului este comprimat de asemenea.

Datorită presiunii ventilul de admisie 7, este apăsat pe locaşul său, iar ventilul de

refulare 1, se ridică de pe locaş permiţând trecerea combustibilului prin canalul 18,

în spaţiul 12, din spatele pistonului.

După ce cama 22 a trecut de sub împingătorul cu rolă 13, sub acţiunea arcului

17, pistonul 10 este deplasat înapoi, în spaţiul 4, deasupra lui se creează o depresiune,

ventilul de aspiraţie 7 se ridică de pe locaşul său şt combustibilul pătrunde în spaţiul

4.

Totodată în spaţiul 12 din spatele pistonului presiunea creşte şi combustibilul

este refulat prin canalul 18, către filtru. Spre a asigura funcţionarea motorului fără

întreruperi, pompa de alimentare este dimensionată astfel încât la orice regim debitează

o cantitate mai mare de combustibil decât cea necesara.

Dacă pistonul ar avea cursă constantă tot timpul, atunci la unele regimuri, cum

ar fi sarcină mică, pompa ar debita foarte mult combustibil, presiunea pe conducte ar

creşte puternic, ceea ce ar duce la spargerea lor.

Spre a evita asemenea situaţii cursa pistonului pompei variază în funcţie

de consumul de combustibil al motorului. Variaţia cursei pistonului se obţine în

felul următor: tija 16 a împingătorului cu rolă 13 nu este prinsă solidar de pistonul IO,

ci intră liber într-o degajare a lui.

Când consumul de combustibil este mic, în spaţiul 12 din spatele pistonului

presiunea creşte şi arcul 17 la deschiderea lui nu poate învinge presiunea creată în

spate, datorită cărui fapt cursa pistonului IO se micşorează, micşorându -se totodată şi

cantitatea de combustibil debitată spre filtru (fig. a, b a c). La creşterea consumului de

combustibil, pompa începe să debiteze combustibil mai mult, presiunea din spaţiul

12, din spatele pistonului scade, arcul 17 se deschide total şi pistonul 10 face cursa

completă.

Spre a evita pătrunderea combustibilului din pompă în carterul pompei de

injecţie, prin spaţiul (datorită jocului necesar) între tija împingătorului 16 şi

peretele corpului, în corpul pompei de alimentare este practicată o degajare 15 fără

legătură cu un canal de ieşire 11, prin care combustibilul prelins este evacuat în

exterior.

La pompa de alimentare este ataşată şi o pompă de mână cu ajutorul căreia

putem pompa combustibilul spre a elimina incluziunile de aer din organele sistemului

de alimentare de joasă presiune şi din canalele pompei de injecţie.

Pompa de mână este compusă din corpul cilindric 6, pistonul 25 cu tija 24 şi

mânerul 23. Legătura dintre cilindrul pompei de mână şi canalul de admisie a pompei

de alimentare, este făcută printr-un orificiu obturat cu ajutorul unei bile J.

După folosirea pompei de mână este necesar să aducem pistonul în poziţia de

jos încât el să preseze bila în locaşul său. Aceasta se asigură prin înşurubarea

mânerului 23 de corpul pompei.

119

3.10.13 Aparatura de injecţie şi pulverizarea combustibilului la motoarele diesel

A doua grupă de organe a sistemului de alimentare la motoarele Diesel,

constituie aparatura de injecţie sau de înaltă presiune, în această grupă sunt cuprinse;

pompa de injecţie, conductele de înaltă presiune şi injectorul. [8,27,29,36]

Pompa de injecţie are rolul de a debita sub o presiune mare la momente

precise, cantităţi strict determinate de combustibil în funcţie de sarcina motorului,

prin injector în camera de ardere a cilindrului.

Injectorul are rolul de a pulveriza combustibilul debitat de pompa de injecţie

şi al introduce în camera de ardere. Legăturile între pompa de injecţie şi injector se

face prin conducte de înaltă presiune.

Pentru ca motoarele Diesel să funcţioneze bine, este necesar ca arderea

combustibilului să decurgă normal şi la timp.

Desfăşurarea unei asemenea arderi a combustibilului, poate avea loc atunci

când debitarea lui se face la momente strict determinate. Dacă aceasta ar avea loc prea

devreme, când aerul din interiorul cilindrului nu este suficient comprimat, deci nu

are nici temperatura necesară aprinderii, atunci o parte din combustibil se va depune

pe pereţii cilindrului iar arderea va fi incompletă.

Motorul va funcţiona cu abundenţă de gaze arse şi va dezvolta o putere scăzută.

Dacă debitarea combustibilului va fi prea întârziată, atunci arderea va continua în

timpul detentei, se va face un schimb prea mare de căldură prin pereţii cilindrului,

motorul se va prea încălzi şi de asemenea va dezvolta o putere scăzută.

Din experimentări s-a constatat că introducerea combustibilului în interiorul

cilindrului trebuie să aibă loc cu 10-30° din rotaţie arborelui cotit, înainte ca pistonul

să ajungă la PME. Acest unghi se numeşte unghiul de avans la injecţie a

combustibilului, de către injector.

În afară de aceasta, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii, se impune ca în

camera de ardere a fiecărui cilindru să fie debitată aceeaşi cantitate de combustibil,

ceea ce se numeşte: uniformitatea debitării.

Numai prin îndeplinirea acestor condiţii e posibil să asigurăm formarea unui

amestec dintre aer şi combustibilul bun şi la momentul necesar, iar ca urmare motorul

va funcţiona cu desfăşurarea arderii în condiţii optime, va avea un consum de

combustibil scăzut şi va dezvolta puterea maximă.

3.10 14 Formarea amestecului carburant la motoarele diesel

La motoarele Diesel, modul de formare al amestecului se deosebeşte foarte

mult faţă de motoarele cu carburator. La motoarele cu carburator amestecul începe în

difuzor, se continuă pe conducte şi în cilindru, pe timpul admisiei şi compresiei.

Datorită calităţilor fizico-chimice superioare a combustibilelor uşoare şi perioadei de

timp relativ mare de producere a amestecului, acesta, către momentul aprinderii

120

prezintă un aspect destul de omogen. Datorită omogenităţii amestecului, oxigenul

din amestec este folosit la maximum, fapt care permite obţinerea unei puteri litrice

mari şi greutăţi specifice scăzute a motorului.

La motoarele Diesel, admiterea combustibilului în cilindru se face spre

sfârşitul compresiei, la poziţia pistonului foarte aproape de punctul mort superior,

fapt prin care se reduce foarte mult perioada de timp pentru pregătirea amestecului,

înseamnă că la motoarele Diesel, condiţiile de obţinere a amestecului (la aceeaşi

turaţie) sunt mai puţin favorabile. [8,27,29,36]

Dacă un motor face n rot/min sau 60

n rot/s atunci într-o secundă el parcurge

60

360n grade/s.

Însemnând durata injecţiei prin 0, atunci timpul cât durează injecţia la motoarele

Diesel va fi:

sn6n360

60

60

360nt

La motoarele cu carburator, durata formării amestecului reprezintă 300-320°

din rotaţia arborelui cotit, pe când la motoarele Diesel, durata injecţiei

combustibilului este de 15-35° din rotaţia arborelui cotit.

În baza formulei durata formării amestecului în secunde, la motoarele cu

carburator, tc şi la motoarele Diesel - td va fi:

s400

1

20006

30tiars

40

1

20006

300t

dc

Deci, la motoarele Diesel timpul cât durează debitarea

combustibilului, adică şi formarea amestecului, este de zece ori mai scurt decât la

motoarele cu carburator.

Pentru motorul D110, luând momentul de debitare a motorinei de pompa de

injecţie este egal cu 20°, turaţia motorului fund n = 1500 rot/min, durata injecţiei va fi:

s454

10022,0

9000

20

15006

20t

d

Timpul scurt şi condiţiile nefavorabile formării amestecului, creează situaţia

ca arderea combustibilului să fie incompletă. Pentru a remedia acest neajuns,

motoarele Diesel lucrează cu un coeficient de exces de aer ridicat.

Datorită acestui fapt, în interiorul cilindrului se găseşte o mare parte

evacuat în atmosferă, ceea ce atrage după sine micşorarea presiunii efective Pt, scăderea

puterii litrice şi creşterea greutăţi motorului.

121

Spre a obţine o ardere completă, la motoarele Diesel este necesar să se aducă în

contact intim combustibil şi aerul şi totodată să se obţină o viteză destul de mare a

particulelor de combustibil, spre a asigura amestecarea lor cu aerul comprimat. Pentru

realizarea acestor condiţii este necesar ca jeturile de combustibil ce pleacă din injector,

să străbată stratul de aer comprimat şi să ajungă către particulele cele mai îndepărtate

de aer din camera de ardere.

Totodată, combustibilul trebuie să fie fin pulverizat în vederea unei repartizări

uniforme a lui în masa de aer. La motoare cu autoaprindere amestecul poate fi format

prin următoarele metode:

- cu ajutorul aerului de pulverizare, comprimat în prealabil într-un compresor;

- pe cale mecanică, injectând combustibilul în cilindru cu ajutorul unui

injector, la o anumită presiune de injecţie.

3.10.15 Pompe de injecţie

Cu ajutorul pompei de injecţie se obţine debitarea şi distribuirea

combustibilului către injectoare sub presiune înaltă, la anumit timp şi în dosaj-cantitativ

strict. Pompele de injecţie folosite pe motoare Diesel au construcţii diferite însă

principiul de funcţionare este acelaşi şi anume: elementul de pompare se compune

dintr-un cilindru şi un piston. [8,27,29,36]

Tipurile cele mai răspândite de pompe de injecţie sunt caracterizate prin aceea

că au acţionarea mecanică, pompa fiind legată cu injectorul prin conducta de înaltă

presiune. Printre acestea sunt cunoscute pompele care au câte un element de pompare

pentru fiecare cilindru, în ultimul timp primesc o răspândire mare tipurile denumite

pompă-injector la care lipseşte conducta de înaltă presiune. Deasemenea, sunt utilizate

şi pompe de injecţie cu un singur element de pompare şi cu distribuitor rotativ.

Funcţionarea motorului Diesel se bazează pe autoaprinderea combustibilului

injectat şi pulverizat în cilindrii motorului în momentul în care aerul aspirat anterior

atinge, prin comprimarea de către pistonul cilindrului, o temperatură suficientă pentru

a se produce autoaprinderea.

Echipamentul de injecţie are rolul de a alimenta camera de ardere a

motorului cu combustibil, astfel încât arderea să corespundă în orice moment

regimului de funcţionare al motorului, determinat la rândul său de sarcina exterioară a

acestuia. Pentru ca funcţionarea motorului să fie corectă şi economică în acelaşi timp,

echipamentul de injecţie trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe, dintre care cele

mai importante sunt următoarele:

-să ridice presiunea combustibilului la o valoare determinată şi să îl

pulverizeze în camera de ardere, astfel încât amestecul de combustibil şi aer să fie cât

mai bun, iar arderea să fie cât mai completă;

-să înceapă injectarea combustibilului la un anumit moment şi să o termine într-

un timp bine stabilit;

- injectarea combustibilului să fie făcută corespunzător cu procedeul de ardere al

motorului în ceea ce priveşte poziţia şi forma jetului;

122

- să injecteze o cantitate de combustibil corespunzătoare în orice moment cu

sarcina motorului.

Echipamentul de injecţie al combustibilului este compus, în ordinea în care o

parcurge combustibilul, din următoarele:

-rezervorul de combustibil, pompa de alimentare, conductele de joasă presiune,

bateria de filtrare (un filtru de curăţare prealabilă şi un filtru final), pompa de injecţie

cu regulator, conductele de înaltă presiune, injectoare şi pulverizatoare.

3.10.16 Pompa de injecţie cu elemenţi în linie

Pompa de injecţie de mărimea A este o pompă cu pistonaşe în linie, cu arbore

cu came propriu şi prindere pe flanşă frontală având cursa pistonaşului

constantă şi cursa activă variabilă prin modificarea sfârşitului injecţiei. Pompa de

injecţie este antrenată de către arborele cu came propriu care primeşte mişcarea de

la arborele cotit al motorului prin intermediul unui angrenaj demultiplicator de turaţie

cu raportul de transmisie 1/2, astfel încât turaţia pompei este de 1/2 din turaţia

motorului.

Fiecare camă corespunde câte un element de pompare, ele fiind astfel decalate

încât să asigure ordinea de injecţie necesară. Arborele cu came se sprijină în corpul

pompei pe doi rulmenţi cu role conice . La capătul opus antrenării se montează

regulatorul de turaţie, antrenat la rândul său de arborele cu came. [8,27,29,36]

Pompa are toţi atâţia elemenţi de pompare câţi cilindri are motorul.

Funcţionarea lor este identică, fiecare element se compune dintr-un pistonaş care

glisează într-o bucşă( cilindru).

Jocul dintre bucşe şt pistonaş este foarte mic, astfel încât să se asigure

etanşitatea la presiuni ridicate. Pistonaşul este ridicat de cama respectivă de pe arborele

cu came prin intermediul unui împingător cu role , iar coborârea lui se face datorită

resortului elementului de pompare.

Pistonaşul are o construcţie specială, fiind prevăzut cu o rampă înclinată, prin

care se comandă sfârşitul cursei de refulare.

În partea inferioară a elementului se află un manşon care are posibilitatea de

antrenare pistonaşul într-o mişcare de rotaţie faţă de bucşă.

Această mişcare este imprimată de o cremalieră care angrenează cu un sector

dinţat 1 solidar cu manşonul. Printr-un sistem de pârghii, cremaliera este legată la

regulator, mişcarea ei fiind comandată de acesta.

În bucşa elementului este prevăzut un orificiu de alimentare care comunică cu

spaţiul de alimentare din capul pompei, unde combustibilul care este adus prin

intermediul pompei de alimentare.

La coborârea pistonaşului se face admisia combustibilului prin acest orificiu.

Cursa de ridicare a pistonaşului este cursa de refulare, dar nu întreaga cursă de

refulare este activă. Refularea are loc începând din momentul când pistonaşul

acoperă orificiul de alimentaţie din bucşă şi durează pană când muchia înclinată a

123

pistonaşului descoperă acest orificiu, punând în legătură camera de refulare de

deasupra pistonaşului cu spaţiul de alimentare. Prin rotirea pistonaşului sub acţiunea

cremalierei, se modifică momentul când rampa înclinată descoperă orificiul de

alimentare, obţinându-se o variaţie a sfârşitului cursei de refulare şi prin aceasta o

variaţie a debitului între un debit maxim şi un debit nul.

Bucşa elementului este închisă la partea ei superioară de o supapă de refulare

menţinută pe un sediu conic de către resortul . Deasupra supapei se află racordul de

refulare , care comunică prin intermediul conductei de înaltă presiune ca injectorul.

Etanşarea este asigurată de o garnitură , aflată între scaunul supapei şi

racordul de refulare. Supapa este deschisă de forţa de presiune a combustibilului

refulat, cursa ei fiind limitată.

În momentul în care rampa elicoidală descoperă orificiul de alimentare,

presiunea din camera de refulare de deasupra pistonului scade brusc, iar supapa de

refulare este adusă de resortul supapei pe sediul său. Ca urmare, refularea încetează.

Supapa de refulare are o construcţie specială, cu centură de descărcare,

aceasta fiind o porţiune cilindrică de mică înălţime, situată sub conul de etanşare al

supapei, înaintea aşezării supapei pe con, datorită acestei centuri de descărcare care este

etanşă în alezajul corpului supapei, în spaţiul de deasupra supapei se produce o detentă

rapidă, ceea ce duce la reducerea bruscă a presiunii în conducta de înaltă presiune şi

deci la oprirea bruscă a injecţiei.

Pentru a împiedica bucşa elementului să se rotească în timpul funcţionării,

ceea ce ar produce dereglarea pompei de injecţie, se utilizează un ştift, presat în corpul

pompei, astfel încât să pătrundă într-o crestătură specială din bucşa. Deasupra acestui

ştift se găseşte dopul deflector .

Fig: 3.47. Reglajul debitului prin rotirea pistonaşului în jurul axei

3.10.17 Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ

124

Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ, cu regulator mecanic pentru toate

regimurile se poate adapta perfect motoarelor diesel cu cilindreea pană la maximum 2

l/cilindru. Pomparea motorinei la presiunea de injecţie este realizată cu ajutorul a două

pistonaşe plonjoare opuse, ce alunecă cu un ajustaj de mare precizie, într-un rotor

central care are şi roiul de distribuitor.

Rotorul este antrenat de axul pompei de injecţie. Pompa este prevăzută cu

un regulator mecanic centrifugal cu ajutorul căruia se obţine reglarea turaţiilor

motorului la toate regimurile de turaţie şi sarcină şi cu un dispozitiv automat de

reglaj al începutului injecţiei în corespondenţa cu turaţia motorului. [8,27,29,36]

Deplasarea pistoanelor plonjoare se face prin intermediul unor role sub efectul

lichidului sub presiune din interiorul pompei şi a camelor din exterior.

Inelul cu came montat în interiorul corpului pompei are numărul perechilor de

came egal cu numărul cilindrilor motorului.

Presiunea motorinei împinge pistoanele plonjoare spre exterior, iar trecerea

acestora peste came le apropie şi realizează astfel refularea motorinei.

Fig. 3.48. Principiul de funcţionare: a-admisie, b- refulare

Circuitul complet al combustibilului este prezentat în figura 3.48.

Combustibilul este aspirat din rezervor cu ajutorul unei pompe de alimentare, trece

printr-o instalaţie de filtrare şi apoi intră printr-o supapă de reglare în pompa de

injecţie. În continuare, o pompă de transfer cu palete, montată în capătul rotorului,

ridică presiunea combustibilului şi îl trimite printr-o supapă de dozaj acţionată de

regulator sau de pârghia de acceleraţie spre capul, hidraulic.

Supapa de dozaj este aceea care determină cantitatea de combustibil trimisă

spre pistonaşe. Lichidul ajuns la pistonaşe le îndepărtează unul de altul, în acest fel

cursa lor este determinata de volumul de combustibil dozat, volum ce variază în

funcţie de poziţia supapei de dozaj.

Cantitatea maximă de motorină injectată are loc în timpul cursei maxime a

pistonaşelor. Profilul camei este astfel proiectat încât la sfârşitul injecţiei să aibă loc o

cădere de presiune prin care să se asigure descărcarea conductei de înaltă presiune.

125

Fig.3.49. Sistemul de alimentare cu combustibil cu pompă DPA

3.10.18 Injectorul

Injectorul are rolul de a introduce combustibilul în camera de ardere laminorului,

sub presiune înaltă, în stare nepulverizată şi de a dirija jetul de combustibil astfel încât

să se producă amestecarea lui cu toată masa de aer comprimat. [8,27,29,36]

Pentru a pulveriza combustibilul, el este trecut printr-un orificiu mic (denumit

duză) şi cu cât viteza lui de scurgere este mai mare, cu atât pulverizarea este mai

puternică. Dacă presiunea creşte progresiv la începutul injecţiei şi scade de asemenea

progresiv către sfârşitul injecţiei, atunci pulverizarea va fi mai slabă la începutul şi

sfârşitul injecţiei, iar particulele de combustibil vor fi mai mari.

Particulele mari se amestecă mai slab cu aerul, arderea lor se face mai greu şi

funcţionarea motorului este defectuoasă.

Pentru ca pulverizarea să se facă bine atât la început cât şi la sfârşitul injecţiei

este necesar ca injecţia să fie făcută la o presiune ridicată şi să se producă brusc.

Un injector se compune din corpul injectorului şi pulverizatorul.

După felul cum este realizat pulverizatorul injectoarelor se deosebesc două

tipuri: injectoare deschise şi injectoare închise.

Deosebirea injectorulului închis faţă de injectorul deschis constă în aceea că el

e prevăzut cu un organ special, ac de închidere, care prin poziţia lui întrerupe legătura

dintre conducta de înaltă presiune şi camera de ardere a cilindrului. Această legătură

poate fi stabilită numai prin ridicarea acului.

După felul cum este realizată deplasarea acului, din locaşul său. injectoarele

închise pot fi categorisite în două tipuri:

126

- automate, cu acţionare hidraulică, obţinută prin presiunea

combustibilului, sub acţiunea elementului de pompare a pompei de injecţie;

- cu acţionare mecanică, de la un organ mobil al motorului. Asemenea

injectoare se numesc comandate.

Primul tip, adică injectorul închis cu acţionare hidraulică a acului este cel mai

răspândit. După felul formarii amestecului, injectoarele se construiesc cu unul sau

mai multe orificii de pulverizator.

Fig.3.50. Diferite forme ale vârfului la acul injectoarelor

a- cu ştift; b- plat; c- conic

La motoarele cu injecţie directă şi la cele cu dispoziţie centrală a injectorului

pe camera de ardere, la pulverizator se practică 3-6 orificii dispuse radial, iar la

motoarele cu antecameră sau cu cameră de turbionare, de regulă pulverizatorul are un

singur orificiu.

Injectoarele cu un singur orificiu pot avea acul obturator cu ştift sau fără ştift.

Injectoarele cu ştift se numesc acele la care vârful acului are o prelungire de formă

tronconică 1 numită ştift, Ştiftul pătrunde în orificiul de pulverizare şi prin conul de

etanşate 2 închide orificiul (fig.3.50.poz. a).

Datorită ştiftului, la aceste injectoare e posibil să se obţină un con de injecţie

până la 30° şi să se influenţeze asupra caracterului procesului injecţiei atât în privinţa

deschiderii conului de pulverizare cât şi a regimului de creştere a presiunii în timpul

injecţiei. Injectoarele fără ştift au vârful plat sau conic ascuţit (fig. 3.50.poz. b şi c).

Injectoarele cu mai multe orificii în pulverizator se construiesc cu acul fără

ştift, în majoritatea cazurilor cu vârful conic ascuţit.

3.10.19 Regulatoare de turaţie

Regulatoarele de toate regimurile sau universale asigură o funcţionare

stabilă a motorului la orice regim, după dorinţa conducătorului, în limitele turaţiei de

lucru ale molarelor.

Turaţia la care motorul dezvoltă puterea garantată de uzina constructoare,

constituie regimul dinamic de bază şi se numeşte turaţia normală sau nominală a

motorului.

127

Astfel, turaţia normală a arborelui cotit la motorul D110 a tractoarelor U-650 şi

U-651 este de 1800 rot/min.

La mers în gol pe regulator, turaţia arborelui cotit creşte cu 5-8% faţă de turaţia

normală. Această turaţie constituie regimul de mers în gol fără sarcină şi se numeşte

turaţia maximă la mers în gol.

Dacă acul regulatorului se tensionează slab de tot (la limita posibilă), atunci

turaţia de regim stabilită se numeşte turaţia minimă la mers în gol.

Cu ajutorul regulatorului de toate regimurile, tractoristul sau conducătorul

maşinii are posibilitatea să stabilească între limitele arătate mai sus, orice regim

dinamic. Datorită acestui fapt rezultă următoarele avantaje:

- conducerea maşinii se face în condiţii mai bune;

- creşte productivitatea agregatelor prin reducerea opririlor în vederea

schimbării vitezelor de deplasare mai ales în timpul manevrărilor;

- tractorul poate avea viteza corespunzătoare la trecerea peste porţiuni de

teren neregulat sau peste obstacole;

- se reduce consumul de combustibil când tractorul lucrează sub sarcina

normală.

Primele trei avantaje se obţin datorită faptului că viteza de deplasare a

tractorului poate fi schimbată cu ajutorul regulatorului fără a oprii tractorul pentru

schimbarea vitezelor. La funcţionarea tractorului sub sarcină normală, de obicei la

transportul maşinilor de la o parcelă la alta, este necesar ca tractorul să se deplaseze

cu viteze mai reduse spre a nu deteriora maşina.

Această viteză redusă poate fi obţinută în treapta I, motorul lucrând la turaţie

normală, pe regim dinamic de bază. Însă aceeaşi viteză o putem obţine în treapta

mai înaltă, de exemplu II sau III, dar la turaţie redusă a motorului. La aceeaşi sarcină

a motorului însă la turaţie diferită consumul de combustibil de asemenea este diferit.

El este mai mic la turaţie mai mică, deplasându-se deci în treapta de viteză

mai mare, dar la turaţie redusă a motorului, consumul de combustibil va fi mai mic.

Vitezele cele mai convenabile de deplasare, folosind posibilităţile

regulatorului de turaţie universal se poate alege în timpul diferitelor lucrări agricole

şi mai ales a celor uşoare ca: grăpat, tăvălugit, când nu putem folosi puterea totală a

motorului prin formarea agregatelor cu lăţime mare de lucru.

În afară de creşterea productivităţii, nu se forţează prea puternic motorul,

încât durata lui de funcţionare poate fi prelungită şi pe această cale.

Astăzi, pe tractoarele folosite în agricultură, indiferent de tipul şi mărimea

lor, se folosesc regulatoare de turaţie universale.

3.11 Sistemul de aprindere

Sistemul de aprindere al motorului are rolul de a asigura aprinderea

amestecului carburant în interiorul cilindrilor, la momentul necesar.

La motoarele cu ardere internă aprinderea amestecului carburant se realizează

în mai multe feluri, fapt care caracterizează şi tipul motorului.

128

Aprinderea prin scânteie electrică se realizează la motorele cu carburator.

Amestecul carburant pregătit în carburator şi introdus în interiorul cilindrilor este

comprimat slab şi spre sfârşitul compresiei este aprins cu ajutorul unei scântei

electrice produse între electrozii unei bujii.

Pentru obţinerea scânteilor electrice în cilindrii motorului este necesar să

avem o sursă de curent electric şi o instalaţie de transformare şi distribuire a

curentului.

Aprinderea prin compresie sau autoaprinderea se realizează la motoarele

Diesel, la care combustibilul injectat în masa de aer puternic încălzit, se autoaprinde

şi arde.

Aprinderea prin catalizator sau cap incadescent (cap de aprindere), se

realizează la motoarele cu catalizator. La pornire, capul de aprindere se încălzeşte

până la roşu deschis din exterior cu ajutorul unei lămpi de benzină de compresie,

combustibilul este pulverizat în interiorul cilindrului pe pereţii catalizatorului

încălzit, se vaporizează brusc, se aprinde şi arde.

3.11.1 Aprinderea prin scânteie electrică

În timpul funcţionării motorului cu carburator, la sfârşitul compresiei în

cilindri, presiunea amestecului este destul de ridicată (cca. 12-14 kgf/cm2).

Deoarece gazele în general se consideră ca izolante, pentru a se obţine între

electrozii bujiei o scânteie electrică puternică, încât să asigure aprinderea amestecului

carburant, este necesar ca sistemul de aprindere să răspundă următoarelor cerinţe:

- obţinerea unui curent de înaltă tensiune în vederea formării unei scântei

puternice în masa amestecului carburant comprimat;

- formarea scânteii în cilindru în care trebuie să fie aprins amestecul

carburant potrivit succesiunii de lucru;

- posibilitatea schimbării momentului producerii scânteii în cilindru

respectiv, în funcţie de regimul de lucru al motorului, felul combustibilului şi

amestecului.

Mărimea tensiunii curentului depinde în primul rând de gradul de compresie al

motorului şi de distanţa între electrozii bujiei.

Cu cât gradul da compresie este mai mare şi cu atât distanţa între electrozi este

mai mare, cu atât trebuie să fie mai înaltă tensiunea curentului adus de electrozi.

Deasemenea, valoarea tensiunii de străpungere a scânteii este influenţată de felul şi

calitatea amestecului carburant, de temperatura electrozilor bujiei.

Cu cât amestecul se aprinde şi arde mai uşor, cu atât tensiunea curentului poate

fi mai mică. Deoarece la regim normal de lucru, motoarele funcţionează pe amestec

economic (puţin însărăcit), aprinderea acestuia devine mai grea, din care cauză e

necesară menţinerea unei tensiuni ridicate.

Temperatura ridicată a motorului şi a electrozilor bujiei prezintă condiţii

favorabile de aprindere a amestecului cu ajutorul unei scântei de tensiune mai joasă.

Cum însă regimul termic al motorului variază, în special motorul are temperatura

129

scăzută la pornire şi la mers în gol în timpul opririlor maşinii, pentru asigurarea

funcţionării continue, fără întreruperi a motorului, tensiunea curentului trebuie

menţinută la valoare ridicată.

Normal se consideră necesară tensiunea de 12000 -15000 V. Spre a asigura

funcţionarea bună şi continuă a sistemului de aprindere, pe motor se folosesc

instalaţii care elaborează curent electric de joasă tensiune, care se transformă în curent

de înaltă tensiune apoi se distribuie la bujii, conform succesiunii de lucru a cilindrilor

şi la timpii strict necesar.

3.11.2 Momentul aprinderii şi avansul la aprindere

O importanţă deosebită pentru funcţionarea bună a motorului de automobil sau

tractor prezintă momentul cel mai corespunzător al aprinderii amestecului carburant.

[8,27,29,36]

Teoretic, la studiul ciclului de funcţionare al motorului cu carburator, s-a

presupus că aprinderea amestecului carburant are loc în momentul când pistonul în

faza de compresie a ajuns la PME.

Practic, în funcţie de regimul de lucru al motorului, aprinderea amestecului

carburant poate fi făcută mai târziu sau mai devreme, însă fiecărui regim de lucru îi

corespunde un anumit moment, numit moment optim de aprindere.

Dacă aprinderea se va face întârziat, la sfârşitul cursei de compresie când

pistonul a ajuns la PME, atunci arderea amestecului se va termina după ce pistonul

va pleca de la PME şi va parcurge o parte din cursa lui.

Înseamnă că arderea se va desfăşura într-un volum mai mare decât

volumul camerei de compresie Vc presiunea gazelor arse asupra pistonului va fi

slabă, iar temperatura lor va fi ridicată.

Deoarece are loc într-un volum mare, se va face un schimb mai intens de

căldură prin pereţii cilindrului. Ca rezultat puterea dezvoltată de motor va fi mai mică.

Aceasta se evidenţiază prin aceea ca suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică

decât în cazul unei aprinderi şi arderi normale, în care sunt prezentate suprapus cele

două diagrame indicate, cu aprindere întârziată (curba plină) şi cu aprindere normală

(curba punctată fig. 3.51).

130

Fig.3.51. Deformarea diagramei indicată prin momentul aprinderii

necorspunzătoare a- aprindere întârziată; b- aprindere cu avans prea

mare[29,36]

În afară de scăderea puterii motorului şi a supraîncălzirii lui, are loc şi un

consum ridicat de combustibil, deci motorul lucrează neeconomic. Pentru a

preîntâmpina aceste neajunsuri, aprinderea amestecului combustibil se face mai

înainte ca pistonul să ajungă la PME în faza compresie.

Avansul la aprindere este necesar pentru a putea permite desfăşurarea

procesului de ardere astfel încât el să fie la intensitate maximă când pistonul ajunge

la PME.

În acest caz efectul presiunii gazelor asupra pistonului va fi maxim, motorul va

dezvolta puterea corespunzătoare şi va avea consum de combustibil redus. Un

asemenea moment de aprindere când arderea amestecului carburant se termină la

sosirea pistonului în PME se numeşte moment normal de aprindere.

Pentru regimul normal de funcţionare a motorului, acest moment se numeşte

moment optim de aprindere.

Dacă aprinderea are toc prea devreme, adică la un avans prea mare, de asemenea

motorul nu poate funcţiona bine. Puterea motorului scade pe motivul că o parte din ea

se consumă pentru învingerea rezistenţei mărite datorită presiunii gazelor arse la

sfârşitul compresiei când pistonul încă se deplasează către PME.

Şi în acest caz arderea are loc într-un volum mai mare decât volumul camerei de

compresie, schimbul de căldură prin pereţii cilindrului este mai intens, se măreşte

consumul de combustibil.

Şi în acest caz suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică şi caracteristic

acestei situaţii, va prezenta o buclă formată la vârf.

Dacă aprinderea s-a făcut cu avans prea mare, presiunea gazelor arse dă un

impuls pistonului în sens invers prea puternic şi poate provoca defectarea

motorului, în general avansul mărit se observă prin funcţionarea motorului cu

zgomot şi lovituri cu sunet metalic.

131

Rezultă, că atât aprinderea întârziată cât şi un avans prea mare duc la scăderea

puterii motorului şi a randamentului său.

Condiţii mai rele de funcţionare apar când momentul aprinderii este întârziat.

Din aceste motive, în majoritatea condiţiilor de lucru, motorul funcţionează cu avans

Ia aprindere, însă mărimea avansului nu este fixă, ci variabilă. Avansul la aprindere

se exprimă în grade din rotaţia arborelui cotit. Valoarea lui poate să varieze de la 0°

până la 30°. Valoarea corespunzătoare a avansului la aprindere depinde de următorii

factori: de turaţia motorului, de temperatura si presiunea amestecului carburant în

momentul aprinderii (adică de gradul de compresie), de mărimea sarcinii, de felul

combustibilului folosit şi de calitatea amestecului carburant format de motor.

Cu cât turaţia de funcţionare a motorului este mai mare, cu atât durata fiecărei

faze a ciclului se scurtează. Pentru a asigura o ardere mai bună e necesar ca

aprinderea să se facă mai devreme, adică avansul ta aprindere trebuie să fie mai mare.

La creşterea sarcinii, avansul la aprindere trebuie să fie mai mic. Pe măsură ce sarcina

creşte, turaţia motorului scade si pentru învingerea ei se admite un amestec carburant

mai bogat, de aceea avansul Ia aprindere se reduce. Pe măsură ce amestecul devine mai

sărac avansul la aprindere trebuie mărit.

La pornirea motorului, când el este rece şi se admite un amestec bogat în

interior, avansul la aprindere se reduce total- în caz contrar, turaţia motorului fiind

mică, volanta neavând o rezervă de energie cinetică nu va putea învinge rezistenţele

apărute înainte de PME şi arborele cotit poate primi un impuls invers.

Aceasta, în multe cazuri poate produce condiţii periculoase pentru conducător,

mai ales dacă pornirea se face cu manivelă care nu este ţinută corect. Pe motoarele

actuale, valoarea avansul la aprindere variază între 8-30°, cel mai mult fiind întâlnit între

15°- 27°.

3.11.3 Sisteme de aprindere folosite pe motoare de autovehicule

La tractoare şi automobile se folosesc două feluri de sisteme de aprindere prin

scânteie electrică:

- sistem de aprindere cu baterie şi transformator;

- sistem de aprindere cu magnetou.

Sistemul de aprindere cu baterie şi transformator, are drept sursă primară de

curent o baterie de acumulatori, o bobină de inducţie unde curentul de joasă tensiune

se transformă în curent de înaltă tensiune, care se distribuie la bujiile

cilindrilor.[1,21,27,33,36]

Bateria de acumulatori este necesară în afara sistemului de aprindere pentru

alimentarea cu curent a celorlalţi consumatori. Sistemul de aprindere cu magnetou se

caracterizează prin aceea că este mai simplu ca instalaţie.

El este folosit în mai mare măsură pe tractor. Curentul de joasa tensiune este

produs de magnetou şi tot acolo este transformat în curent de înaltă tensiune, de

unde se distribuie la bujii.

132

3.11.3.1 Schema principală a sistemului de aprindere pe baterie şi transformator

Sistemul de aprindere se compune din două circuite: primar - de joasă tensiune şi

secundar- de înaltă tensiune.

În cilindrul primar intră (fig. 3.52):

- sursa de curent electric - bateria de acumulatori 1, care furnizează

curent continuu de joasă tensiune;

- bobinajul primar 2 a bobinei de inducţie format din spire puţine şi

de secţiune groasă;

- ruptorul 3 - care este un dispozitiv cu ajutorul căruia periodic se

întrerupe şi apoi se închide circuitul primar; acesta asigură scurgerea unui

curent variabil ca mărime prin circuit;

- condensatorul 4, cu ajutorul căruia se amplifică foarte mult variaţia

fluxului magnetic şi se exclude producerea de scânteie între contactele

raptorului;

- contactul 5, cu ajutorul căruia conducătorul maşinii poate întrerupe

circuitul, deci opri funcţionarea sistemului de aprindere.

Fig.3.52 Schema sistemului de aprindere pe baterie şi transformator

În circuitul secundar intră:

- bobinajul secundar 6 a bobinei de inducţie, în care prin inducţie se

produce curentul de înaltă tensiune; el e format din spire multe şi de secţiune

subţire;

- distribuitorul 7, care stabileşte legătura dintre bobinajul secundar şi

contactul corespunzător bujiei în care trebuie să se producă scânteia electrică

de înaltă tensiune;

- fişele, prin care este condus curentul de înaltă tensiune de la distribuitor la

bujii;

- bujiile 8, între electrozii cărora se produc scânteile electrice, care

aprind amestecul carburant, comprimat în interiorul cilindrilor.

133

Toate organele componente atât în circuitul primar cât şi în cel secundar, sunt

legate între ele prin conductori izolaţi. La sistemul de aprindere, se foloseşte un

singur conductor, iar în locul conductorului al doilea servesc organele metalice ale

motorului şi maşinii-masa.

Funcţionarea sistemului de aprindere pe baterie şi transformator este

următoarea:

Bateria de acumulatori 1, de la o bornă a ei se leagă printr-un

conductor la masă, iar de la borna a doua, prin alt conductor, la borna laterală de intrare

a bobinajului primar.

Când contactul 5 este închis, curentul din bateria de acumulatori trece în

bobinajul primar 2 a bobinei de inducţie, apoi prin contactele închise ale ruptorului 3,

la masă şi îndărăt la baterie.

Curentul care trece prin circuitul primar este de joasă tensiune (tensiunea

bateriei). El creează un câmp magnetic ale cărui linii de forţă străbat spirele

bobinajului primar şi ale celui secundar.

Spre a obţine curent de înaltă tensiune în bobinajul secundar al bobinei de

inducţie, câmpul magnetic creat trebuie să fie variabil. Variabilitatea câmpului

magnetic produs de curentul din circuitul primar se produce prin întreruperea şi

închiderea periodică a circuitului primar.

Acest scop serveşte ruptorul 3, care prin rotirea unei came, îndepărtează

contactul mobil numit ciocănel, de contactul fix numit nicovala. La întreruperea

contactelor curentul din circuitul primar dispare şi o dată cu el dispare şi câmpul

magnetic.

Datorită variaţiei fluxului magnetic, în bobinajul secundar care este format

dintr-un număr mai mare de spire, se induce un curent de înaltă tensiune. Acest

curent, adus prin distribuitorul 7 şi prin fişe la bujiile 8, închide circuitul prin

străpungerea spaţiului între electrozii fiecărei bujii, descărcându-se sub forma de

scântei electrice, care aprind amestecul carburant.

3.11.4 Construcţia dispozitivelor şi organelor sistemului de aprindere pe

baterie

3.11.4.1 Bateria de acumulatori Acumulatorul este un dispozitiv care poate înmagazina sub formă chimică,

energia electrică produsă de o sursă de curent electric continuu, pe timp limitat, prin

încărcare.

El poate restitui energia electrică în măsura necesităţilor de consum, prin

descărcare, tot sub formă de curent continuu. [1,21,27,33,36]

Acumulatorii electrici după construcţia lor pot fi cu cadmiu-nichel sau fero-

nichel şi ca electrolit cu o bază, şi acumulatori cu plumb şi ca electrolit cu acid. Pe

tractoare şi automobile se folosesc acumulatori electrici cu plumb.

134

Mai mulţi acumulatori legaţi în serie formează o baterie de acumulatori. Un

acumulator elementar este format dintr-un vas de sticlă sau material din masă plastică

1 rezistent la acţiunea acizilor şi rău conducător de electricitate, în care se toarnă o

soluţie de acid sulfuric chimic pur şi apă distilată, numită electrolit. Proporţia de acid

sulfuric este de 25%. în vasul cu electrolit se cufundă doi electrozi formaţi din două

plăci de plumb, placă pozitivă 2 şi negativă 3.

Capetele plăcilor formează bornele acumulatorului .

Procesul fizico-chimic decurge în felul următor. Dacă împreunăm capetele

plăcilor (bornele) cu polii unei surse de curent continuu, se va observa că suprafaţa

plăcii legate cu polul pozitiv (+) a sursei de curent, începe să se schimbe. Pe ea se

formează un strat de culoare roşiatică închisă de peroxid de plumb (PbO,) ca rezultat

al elaborării de oxigen de către curentul electric, la acest pol (fig.3.53. a şi b).

Fig.3.53. Schema reacţiilor în bateria de acumulator:

A şi b – la încărcare; c şi d la descărcare[33,36]

Pe placa legată cu polul negativ (-), în urma faptului că este atacată de acidul

sulfuric se formează hidrogen, iar placa devine de felul unui plumb spongios. Deci,

după un anumit timp de acţiune a curentului electric, rezultă două plăci cu suprafeţe

deosebite; placa pozitivă cu peroxid de plumb (PbO.) şi placa negativă cu plumb

spongios (Pb).

Reacţiile care au avut loc datorită curentului electric sunt:

- Pe placa pozitivă:

Pb + 2 SO4H2 + 2O = PbSO4 + SO4 + 2 H2O =PbO2 + 2 SO4H2

- Pe placa negativă:

Pb + SO4H2 = PbSO4 + 2 H = Pb + S O4H2.

Curentul electric folosit de la sursă, datorită căruia au avut loc aceste procese

chimice se numeşte curent de încărcare.

Starea în care plăcile sunt din peroxid de plumb şi plumb spongios, iar

electrolitru) este de concentraţie maximă admisibil, se numeşte stare încărcată,

avem un acumulator încărcat.

135

Curentul electric pe care-l poate debita acumulatorul se numeşte curent de

descărcare. În timpul descărcării, acidul sulfuric se descompune în ioni de (SO4) şi

(H2).

Hidrogenul merge la placa pozitivă de la care ia oxigenul din peroxid de

plumb şi formează apa, iar plumbul se combină cu sulfatul dând sulfatul de plumb.

Sulfatul împreuna cu plumbul de la placa negativă dă sulfatul de plumb. O dată cu

aceasta electrolitul se diluează, densitatea lui scade (fîg.5.3. d).

Reacţiile chimice care au loc în timpul descărcării sunt:

Pe placa pozitivă:

PbO2 + SO4H2 + H2 = SO4Pb + SO4 + 2 H2O

Pe placa pozitivă:

Pb + S04 = SO4Pb.

După terminarea descărcării, acumulatorul poate fi iarăşi încărcat şi aceste

operaţiuni se repeta de mai multe ori.

După mai multe încercări şi descărcări se poate constata că acumulatorul

poate înmagazina o cantitate mai mare de energie electrică şi apoi să o cedeze la

descărcare. Acest proces se numeşte: formarea acumulatorului. Aceasta se explică

prin faptul că, prin încercări repetate se formează o cantitate mai mare de peroxid

de plumb pe placa pozitivă şi plumb spongios pe placa negativă, adică se măreşte

masa activă a electrozilor, iar acumulatorul are o capacitate mai mare de

înmagazinare a energiei electrice.

Celule grătarului se umplu cu o pastă preparată din litargă (PbO) si miniu de

plumb (Pb3O4) sau de cele mai multe ori din praf de plumb ce se oxidează în timpul

măcinării, care se amestecă cu acid sulfuric. După uscare, plăcile sunt cufundate în

electrolit şi acumulatorul e supus formării prin legare la un generator de curent

continuu. Una dintre plăci se leagă la peria pozitivă (+) iar cealălaltă la peria negativă

(-).

Sub acţiunea curentului electric debitat de generator, pe placa pozitivă se

formează peroxidul de plumb (PbO2) de culoare brună, iar pe placa negativă se

formează plumbul spongios (Pb), de culoare cenuşiu închis.

Astfel pregătite plăcile au o constituţie poroasă şi electrolitul se îmbibă în

porii plăcilor, în această stare acumulatorul este încărcat şi poate fi folosit prin

legare în circuit electric cu diferiţi consumatori, când el furnizează curentul

electric de descărcare.

3.11.4.2 Tensiunea şi capacitatea acumulatorului

Un element de acumulator, independent de mărimea plăcilor, în stare

încărcată are o tensiune de aproape 2,5-2,7 V, care la începerea descărcării scade şi

se menţine la tensiunea de 2 V. La descărcarea completă tensiunea scade până la 1,8

V. [1,21,27,33,36]

136

Prin capacitatea acumulatorului se înţelege cantitatea de electricitate pe care o

dă un acumulator bine încărcat, la descărcarea lui cu un curent de intensitate

constantă, până la tensiunea limită, indicată de uzină.

Capacitatea acumulatorului se exprimă în (A.h.) amperi-ore. Ea este egală cu

produsul dintre intensitatea curentului de descărcare, măsurată în amperi şi timpul în

ore, în care acumulatorul se descarcă la intensitatea respectivă. De exemplu, dacă un

acumulator arc o capacitate de 60 A.h. atunci el poate debita timp de 20 ore, un curent

constant de 3 A.

Capacitatea acumulatorului depinde de mărimea plăcilor şi de numărul lor.

Pentru a mări capacitatea fără a mări prea mult dimensiunile acumulatorului, se iau

mai multe plăci pozitive şi negative. Toate plăcile pozitive se leagă între ele în paralel,

la fel şi plăcile negative.

În vederea reducerii rezistenţei interioare a acumulatorului, distanţa între

plăci se ia minim posibilă.

Capacitatea nominală a unei baterii se numeşte capacitatea indicată şi

garantată de uzina, în condiţiile respectării prescripţiilor de folosire şi întreţinere.

3.11.5 Bobina de inducţie

Bobina de inducţie este organul din sistemul de aprindere cu ajutorul căruia

se transformă curentul de joasă tensiune (6,12 sau 24 V) şi intensitatea relativ mare

(2-6 A) în curent de înaltă tensiune (10 000 - 25 000 V) şi intensitate mică (0,5

miliamperi).

Din punct de vedere electrotehnic, bobina de inducţie este un transformator.

Ea este compusă dintr-un miez de oţel moale format din tole subţiri de 0,4 mm,

acoperite cu un strat de material izolant spre a împiedica formarea curenţilor

turbionari.

Miezul este îmbrăcat într-un tub de carton 6, peste care este înfăşurat bobinajul

secundar8, format din 16 000-23 000 de spire din sârmă de cupru, cu diametrul de

0,07-0,1 mm, izolată cu email. Înfăşurarea este făcută în mai multe straturi izolate de

asemenea între ele prin benzi de hârtie parafinată. Primele şi ultimele spire ale

bobinajului au izolaţie mai puternică şi sunt distanţate la 1-1,5 mm, în scopul

protejării izolaţiei contra străpungerii.

Deasupra înfăşurării secundare este îmbrăcat tubul de carton, peste care este

înfăşurat bobinajul primar7, compus din 230-330 spire din sârmă de cupru, cu

diametrul de 0,8 mm, izolată cu email. Bobinajul primar este înfăşurat deasupra cu

hârtie parafinată peste care se înfăşoară câteva foi din tablă de oţel de transformator.

Capetele bobinajului primar sunt scoase afară la două borne laterale . Un

capăt al bobinajului secundar este legat la bobinajul primar şi prin aceasta la

masă, iar al doilea capăt este adus la borna centrală a capacului , făcut din

carbolit.

Miezul de fier cu bobinajele pe el, se montează pe izolatorul 11 şi totul se

îmbracă cu mantaua metalică , iar spaţiile rămase goale în interior se umplu cu

137

rubrax topit - material electroizolant pe baza de bitum, care se solidifică foarte

repede.

La un motor policilindric când turaţia se măreşte, întreruperea contactelor

ruptorului se face atât de des, încât curentul în bobinajul primar nu reuşeşte să

atingă valoarea necesară. Datorită acestui fapt câmpul magnetic în jurul

bobinajului primar şi corespunzător tensiunea în bobinajul secundar, se

micşorează.

Acest neajuns se poate remedia dacă se va face bobinaj primar cu rezistenţă

mică, însă el se va încălzi puternic când motorul are turaţie mică şi contactele sunt

închise pe o durată de timp mai mare. Spre a reduce rezistenţa circuitului primar

când turaţia motorului creşte, unele bobine de inducţie au legat la circuitul primar,

în serie, o rezistenţa suplimentară numită variator.

Variatorul este făcut din material a cărui rezistenţă creşte foarte mult când

acesta se încălzeşte. Deci, când motorul are turaţie mică variatorul se încălzeşte mai

puternic şi creşte rezistenţa circuitului primar şi invers, când turaţia motorului creşte,

iar contactele ruptorului rămân închise pe durată de timp foarte scurtă, curentul în

circuitul primar este mic şi variatorul se încălzeşte puţin, iar ca rezultat rezistenţa

circuitului primar este mică.

Variatorul se face sub formă de spirala din oţel , montată peste rândul

superior al bobinei, pe un suport de metal izolat cu o placă de porţelan.

În acest caz, bobina de inducţie are o bornă laterala, pe capacul din carbolit

şi alte două borne pe capacul superior, dintre care una se leagă prin conductor cu

electromotorul de pornire, iar a doua se leagă cu fir dublu, unul merge la contact şi

prin aceasta face legătură cu bateria de acumulatori, iar al doilea se leagă la plăcuţa

montată pe dispozitivul de cuplare a electromotorului, prin care se va scurtcircuita

la pornire ambele fire care vin de la variator.

3.11.5.1 Ruptor-distribuitor

La sistemul de aprindere prin baterie şi transformator, ruptorul curentului

de joasă tensiune şi distribuitorul curentului de înaltă tensiune sunt montate

împreună, formând capul distribuitor sau coloana ruptor-distribuitor.

Ruptorul serveşte la întreruperea circuitului primar, asigurând prin aceasta

variaţia câmpului magnetic în bobina de inducţie, iar distribuitorul, la alimentarea

cu curent de înaltă tensiune a bujiilor, conform ordini de funcţionare a cilindrilor

motorului.

Antrenarea axului ruptor-distribuitor se face în cele mai multe frecvente

cazuri de la axul de came.

Condensatorul are scopul de a reduce efectele negative ale curentului de

ruptură şi de a feri de distrugere contactele.

El se montează în paralel cu ruptorul şi înmagazinează curentul de ruptură

din circuitul primar, în momentul îndepărtării contactelor ruptorului, evitând astfel

apariţia scânteilor şi oxidarea contactelor.

138

Un condensator este format din două benzi de foiţă de staniol de 35 mm lăţime

şi 2 000 mm lungime, izolate fiecare cu benzi de hârtie parafinată de 40 mm lăţime

şi 2 100 mm lungime.

Benzile de staniol se numesc armăturile condensatorului care se înfăşoară în

rulou strâns şi se introduc într-o manta metalică de protecţie, de forma unui cartuş. De

la fiecare armătură pleacă câte un conductor flexibil, dintre care unul se leagă cu

mantaua metalică, deci cu masa, iar celălalt se scoate afară izolat.

3.11.5.2 Bujia

Bujia serveşte la obţinerea scânteii electrice în camera de ardere a cilindrului

(fig.3.54. a, b).

Fig.3.54. Bujia: a- demontabilă; b- nedemontabilă

Ea se compune din corpul 1 şi electrodul central 2. Corpul 1 construit din

oţel, la partea inferioară este prevăzut cu filet pentru înşurubarea în chiuloasă, iar la

partea superioară cu exagon pentru strângere.

Electrodul central 2, de forma unei tije metalice, este prevăzut la partea

superioară cu filet pe care se înşurubează piuliţa 6 şi se fixează fişa de la distribuitor.

Izolantul 3 din porţelan, mică sau uralit, îmbracă la exterior electrodul central

La partea inferioară a corpului se află unul, doi sau trei electrozi laterali 4.

Între electrozii laterali şi electrodul central, se lasă o distanţă de 0,5-0,7 mm, între

care se închide circuitul de înaltă tensiune, producând scânteia. Bujiile pot fi

demontabile şi nedemontabile.

La o bujie demontabilă (fig.3.54. a), corpul metalic este compus din două

părţi: corpul propiu-zis 1 şi piuliţa de strângere 7, care se înşurubează în interiorul

corpului, fixând electrodul central 2. Între corpul bujiei, izolator şi piuliţa de

strângere, se aşează garnituri de cupru 8.

Bujiile nedemontabile nu au piuliţă interioară de strângere şi izolatorul

cu electrodul central sunt fixaţi în interiorul corpului cu ajutorul unui inel metalic

9 (fig. 3.54. b).

139

Pentru fiecare tip de motor se folosesc bujii de dimensiuni corespunzătoare.

Caracteristicile principale ale unei bujii sunt: diametrul şi lungimea părţii înnecate

(care se înşurubează). Diametrul poate fi de 22, 18, 14, 12 şi 10 mm.

3.11.5.3Caracteristica termică a bujiei

Un motor funcţionează bine atunci când porţiunea inferioară a

electrodului central şi a izolantului ce o acoperă, care vine în contact cu flacăra

în interiorul cilindrului, îşi ridică temperatura foarte repede peste 500°C şi apoi

o menţine pe toată durata funcţionării motorului fără a depăşi temperatura de

850°C.

Între aceste valori, vârful electrodului centrat şi al izolantului se încălzesc

până la culoarea roşu şi roşu-gălbui. Dacă temperatura depăşeşte 850°C, atunci

se pot produce preaprinderi ale amestecului carburant înainte de momentul

producerii scânteii, datorită bujiei prea încălzite.

Dacă temperatura se menţine sub 500°C, atunci particulele de ulei care

nimeresc pe electrozi nu ard momentan, bujia se ancrasează, nu mai produce scântei,

motorul funcţionează cu întreruperi.

Din aceste motive, o temperatura minimă de 500°C se numeşte temperatură

de autocurăţire, iar cea maximă de 850°C - temperatură de autoaprindere.

Proprietatea unei bujii de a atinge cât mai repede temperatura de regim,

cuprinsă între 500°-850°C şi a o menţine pe durata funcţionării motorului, se

numeşte caracteristica termică a bujiei.

Valoarea termică a bujiei se exprimă printr-un şir de numere: 20, 25, 45, 95,

125,... 500.

Bujiile reci au izolant scurt, deci suprafaţa de încălzire mică, iar valoarea

termică mare, deoarece este nevoie de o cantitate mai mare de căldura care să fie

preluată de la flacără din cilindru, până ce bujia va ajunge la temperatura de regim.

Invers, bujiile calde au izolantul lung, deci suprafaţa de încălzire mare, iar

valoarea termică mică, deoarece au nevoie de mai puţină căldură până să ajungă Ia

temperatura de regim.

3.11. 6 Aprinderea prin magnetou

Magnetoul este o maşină electrică care produce curent electric alternativ de

joasă tensiune, îl transformă în curent de înaltă tensiune şi îl distribuie la bujii, în

vederea aprinderii amestecului carburant în cilindri, conform ordinii de funcţionare

a motorului.

Spre deosebire de sistemul de aprindere pe baterie şi transformator,

magnetoul se caracterizează prin aceea că - sursa de curent, transformatorul

curentului de joasă tensiune în curent de înaltă tensiune şi distribuitorul sunt

concentrate într-un singur aparat complex.

140

Energia electrică în magnetou se obţine prin consum de energie mecanică a

motorului, care pune în mişcare de rotaţie organele mobile ale magnetoului. La baza

obţinerii energiei electrice o stă principiul inducţiei electro-magnetice.

Părţile principale ale unui magnetou sunt:

- Sistemul magnetic, cu ajutorul căruia se obţine un câmp magnetic

variabil;

- Bobinajul primar, cu ruptor şi condensator, care serveşte la

obţinerea curentului de joasă tensiune si la întreruperea lui bruscă;

- Bobinajul secundar, necesar pentru obţinerea curentului de înaltă

tensiune;

- Distribuitorul curentului de înaltă tensiune, necesar pentru dirijarea

curentului către bujii;

- Mecanismul avansului de aprindere, în vederea schimbării

momentului aprinderii.

După felul de excitaţie a curentului electric, magnetourile se

deosebesc de trei tipuri:

- Magnetou cu bobină fixă şi magnet rotativ.

- Magnetou cu bobină rotativă şi magnet fix.

- Magnetou cu bobină şi magnet fixe şi cu voleţii mobili.

3.11.6.1 Magnetoul cu magnet fix şi bobinaj rotativ

La acest tip de magnetou partea fixă o formează magnetul permanent, iar

partea mobilă, bobinajul primar şi secundar împreună cu cuptorul.

Construcţia şi funcţionarea acestui tip de magnetou sunt următoarele: între polii

a doi magneţi naturali 1 (fig. 3.55) se roteşte un miez de fier 2, din tole de oţel în formă

de dublu T, numit ancoră.

Pe partea centrală a ancorii sunt bobinate înfăşurările primară 3 şi secundară 4.

Aceasta împreună cu miezul formează rotorul. De laturile miezului sunt fixate două

flanşe a căror capete se termină prin fusuri de ax.

În interiorul flanşei anterioare S, este montat condensatorul 6, iar lateral în

exteriorul flanşei, pe fus, este rulmentul de sprijin şi apoi îmbrăcat platoul ruptomlui 7.

141

Fig.3.55. Schema magnetoului cu magnet fix şi bobinj rotativ

La flanşa posterioară 8, pe fus este fixat colectorul 12. Bobinajul primar este

din sârmă de cupru de 0,65-1 mm diametru, cu 100-250 spire, are un capăt prins de

miez iar celălalt capăt scos printr-o bucşă din material izolant 11, montată în fusul

flanşei anterioare 5.

Bobinajul secundar este din sârmă de cupru de 0,07-0,1 mm, cu 8000-1200

spire, are un capăt legat de bobinajul primar, deci de masă, iar al doilea capăt este

scos la colectorul 12.

Bobinajele sunt izolate între ele. Condensatorul 6 este din foiţe de staniu

izolate între ele. Jumătate din foiţă prin contactul comun este legată la ruptor, iar

restul deasemenea prin contact comun se leagă de masă.

Platoul ruptorului 7 se îmbracă prin bucşă pe fusul flanşei anterioare şi se

fixează în poziţie cu ajutorul şurubului central 10, care se înşurubează în bucşa

izolatoare //, stabilind în acest fel legătura cu capătul izolat al bobinajului

primar.

Pe platou sunt fixate ciocănelul 9 şi nicovala 8. Ciocănelul este mobil în

jurul axului sau, iar nicovala fixa şi izolată de masă. Fiecare poartă câte un contact

din material greu fuzibil. Contactul nicovalei poate fi reglat ca poziţie prin

înşurubare pe suportul sau. Cutia ruptorului are în interiorul său două praguri cu

ajutorul cărora se îndepărtează ciocănelul.

Pe colectorul 12 se sprijină cărbunele-perie 13 menţinut în suportul 14 din

material izolant, prin care trece conductorul pentru transmiterea curentului de înaltă

tensiune la contactul central 15, al distribuitorului 16.

Distribuitorul este prevăzut cu un număr de contacte laterale sau ploţi, egal

cu numărul cilindrilor motorului.

Prin rotirea contactului central de distribuţie, curentul prin ploţi trece la fisele

17 şi apoi la bujiile 18.

142

Principiul de funcţionare este similar cu magnetoul cu bobinaj fix. Când

miezul ocupă poziţia orizontală, prin partea lui centrală pe care sunt înfăşurate, trece

fluxul magnetic maxim (fig.3,55.a) iar în poziţia verticală a miezului fluxul magnetic

nu trece de loc prin partea centrală (fig.3.55.c).

În poziţii intermediare fluxul magnetic trece parţial prin miezul central (fig.

3.55.b) şi prin rotirea ancorei fluxul magnetic o să varieze ca mărime şi sens de două

ori la o rotaţie.

Fig.3.56. Poziţiile bobinajului rotativ (ancorei) între polii magnetului şi închiderea

fluxului

Fluxul magnetic variabil şi alternativ va induce în circuitul primar curent de

joasă tensiune. Prin întreruperea circuitului primar cu ajutorul ruptorului se induce

în circuitul secundar curent de înaltă tensiune, care prin colector, distribuitor şi fişe,

este dirijat la bujii între electrozii cărora se produc scânteile.

3.12. Sistemul de ungere

Dacă punem în contact două suprafeţe aflate în mişcare una faţă de alta, va

lua naştere o foiţă care se opune mişcării, numită forţă de frecare. Aceasta va fi cu

atât mai mare, cu cât asperităţile suprafeţelor vor fi mai mari. Prin frecare,

asperităţile se tocesc şi ia naştere căldura.[3,9,16,22]

La tractoare şi automobile, sunt multe organe care se freacă în timpul

lucrului. Datorită faptului că piesele nu se pot finisa în aşa fel ca suprafeţele lor să

fie perfect netede, ele rezultă cu asperităţi, iar prin frecarea lor reciprocă, dau naştere

la uzuri.

De asemenea asupra mărimii forţei de frecare influenţează felul materialelor

din care sunt făcute organele şi condiţiile în care are loc frecarea.

După felul contactului între suprafeţele organelor, frecarea poate fi:

- frecare uscată, când suprafeţele vin în contact direct ungerea între

suprafeţele aflate în frecare lipseşte, iar uzura lor este mare;

143

- frecare semilichidă, când între suprafeţe se află un strat de lichid care nu

acoperă vârfurile asperităţilor, ungerea este incompletă, iar uzura suprafeţelor este

moderată.

Când cantitatea de lichid interpus între suprafeţele în frecare este mică, se

mai deosebeşte frecarea semiuscată.

În acest caz la o funcţionare prelungită a organelor, uzura este pronunţată.

Fig.3.57. Schema diferitelor feluri de frecare între două suprafeţe în contact

a- frecare uscată; b- frecare semilichidă; c- frecare lichidă

Practic o delimitare categorică între frecarea semilichidă şi frecarea semiuscată

nu este posibilă:

- frecarea lichidă, când suprafeţele în frecare sunt separate complet

de stratul de lichid iar uzura lor este minimă.

Frecarea lichidă este de 30-40 ori mai uşoară decât frecarea uscată, Introducând

un strat de lubrifiant între suprafeţele în mişcare, frecarea dintre ele este înlocuită cu

frecarea dintre particulele lubrifiantului, având loc o alunecare a pieselor de

particulele de lichid, ceea ce duce la reducerea frecării şi uzurii.

Totodată stratul de lubrifiant serveşte ca material răcitor pentru îndepărtarea

căldurii care ia naştere prin frecarea suprafeţelor în contactarea are rolul de a micşora

frecarea dintre piese, de a înlocui frecarea uscată cu cea lichidă. Ungerea suprafeţelor

în frecare se face folosind diferite materiale de ungere, lichide şi consistente.

Numim ungere, introducerea unei pelicule de material de ungere între

suprafeţele de frecare a diferitelor asamblări mobile de organe. Pentru ca ungerea

să se facă mai bine, este necesar să asigurăm o circulaţie a lubrifiantului între

suprafeţele de frecare. Prin aceasta se îndepărtează şi impurităţile ce iau naştere prin

tocirea asperităţilor.

În cazul motoarelor cu ardere internă, în afară de reducerea frecării,

îndepărtarea căldurii şi a impurităţilor ce rezultă din frecare, mai este necesară

îndepărtarea reziduurilor de ardere din cilindru, protejarea suprafeţelor împotriva

coroziunii şi asigurarea etanşeităţii dintre cilindru şi piston. Ca material de ungere

se folosesc uleiuri minerale lichide.

144

Toate acestea se realizează printr-un circuit corespunzător al uleiului în

motor, asigurat de o serie de organe, care împreună alcătuiesc sistemul de ungere.

La motoarele cu ardere internă, rolul sistemului de ungere este deci următorul:

- trimite automat şi în continuu ulei între organele care se freacă; prin

aceasta se reduce consumul de putere necesar pentru învingerea frecării şi se

micşorează uzura organelor motorului;

- îndepărtează căldura rezultată prin frecare şi parţial căldura cedată prin contact

între organe;

- asigură etanşeitatea dintre cilindru şi piston, împiedicând scăparea

gazelor în carter;

- curăţă suprafeţele în frecare de zgură şi şpan metalic, având rol de

spălare;

- protejează organele motorului împotriva coroziunii ce ia naştere ca rezultant

al acţiunii produselor de ardere, oxigenului şi apei.

3.12.1 Condiţiile de ungere ale organelor motorului

Diferitele organe în frecare ale motorului impun condiţii de ungere

deosebite. Ideal ar fi ca în toate locurile să asigurăm o frecare lichidă, dar acest

lucru nu este pe deplin posibil. [3,9,16,22]

Lagărele paliere şi magnetoane ale arborelui cotit, în timpul funcţionării

motorului sunt supuse la solicitări mari, în ele şi frecarea fiind cea mai mare.

Menţinerea unui strat de ulei cât mai gros între fus şi lagăr, este o problemă

destul de grea şi depinde de vâscozitatea uleiului, turaţia arborelui, dimensiunile

lagărului şi jocurile în lagăr, în general, mărindu-se cantitatea de ulei, funcţionarea

lagărelor se îmbunătăţeşte.

Menţinerea în tot timpul funcţionarii motorului a unui strat de ulei între fus

şi lagăr se bazează pe principiul penei .

Astfel, când fusul începe să se rotească, antrenează cu el uleiul ce s-a lipit

de suprafaţa lui şi înconjoară fusul sub forma unei pelicule subţiri. Deoarece uleiul

se lipeşte şi de suprafaţa imobilă a lagărului , atunci uleiul antrenat de fus, formează

cu acesta un strat în formă de pană, datorită căruia suprafaţa fusului se

îndepărtează de suprafaţa lagărului, se ridică în sus şi deplasându-se puţin în

direcţia sensului de mişcare, se menţine pe stratul de ulei format, iar frecarea nu

are loc între suprafeţe metalice, ci între straturile interioare ale uleiului. Odată

cu uleiul sunt antrenate şi impurităţile cuprinse în el.

Astfel, o ungere bogată a cilindrului, va duce inevitabil la formarea zgurei în

camera de ardere, pe pistoane, segmenţii şi supape..

Organele mecanismului de distribuţie necesită o ungere mai puţin intensivă,

deoarece ele nu sunt supuse solicitărilor atât de mari ca organele mecanismului bielă-

manivelă.

145

La pornire, când motorul este rece, atât lagărele, cât şi celelalte organe în

frecare ale motorului, pot avea o ungere nesatisfăcătoare datorită lipsei de ulei şi

vâscozităţii moleculelor acestuia de a adera la suprafaţa metalelor. Ungerea altor

organe ajutătoare ale motorului (ventilatorul, pompa de apă, magnetoul etc.) se face

periodic.

3.12.2 Metodele de ungere

La motoare se folosesc diferite metode de ungere, potrivit cărora, în cadrul

sistemului respectiv uleiul în mişcarea execută ungerea, apoi în majoritatea cazurilor

este recuperat, se răceşte şi se regenerează, pentru ca să intre din nou în circuit.

Deosebim următoarele tipuri de sisteme de ungere:

- ungere fără circuit propriu

- ungere cu circuit deschis

- ungere cu circuit închis

Ungere fără circuit propriu se întâlneşte la motoarele la care uleiul nu are un

drum propriu. Uleiul se amestecă în benzină în proporţie de 1/15-1/20, el va trece

împreună cu combustibilul mai întâi prin carter, apoi în cilindru, unde sub formă de

particule fine execută ungerea diferitelor suprafeţe în frecare.

Se foloseşte la motoarele cu carburator în doi timpi cu refulare prin carter de

mică putere, cum ar fi servomotorul P.D.-10, la diferite motoroaşe pentru motopompe,

motocultoare ca şi la motocicletă.

Ungerea cu circuit deschis se foloseşte mai rar fiind neeconomică. Uleiul

trece o singură dată prin motor, execută ungerea diferitelor organe în frecare şi apoi

este evacuat sau ars odată cu combustibilul. Se foloseşte la unele motoare cu

calorizator.

Ungerea cu circuit închis se foloseşte cel mai des. Uleiul plecând dintr-un

rezervor face ungerea organelor în frecare şi se reîntoarce la locul de plecare, pentru

ca să reintre în circuit.

Ungerea cu circuit închis este de mai multe feluri:

- ungere prin barbotaj, (stropire),

- ungere prin barbotaj cu circulaţie,

- ungere forţată, prin pompă,

- ungere mixtă.

Datorită acestor dispozitive suplimentare, uleiul este filtrat şi menţinut

totdeauna la acelaşi nivel în coveţi, ceea ce creează condiţii mai bune de ungere

pentru toate bielele indiferent de poziţia motorului.

Acest sistem de ungere se foloseşte la motoare de mică putere, cu număr mic

de cilindri (1-4 cilindri), în special la motoare cu carburator.

Ungerea forţată cu pompa se utilizează la unele motoare stabile şi motoare de

tractor în doi timpi. De la rezervor, uleiul vine la pompa centrală care îl trimite prin

146

conducte la locurile de ungere: fusele paliere şi magnetoane, cilindrul şi pistonul,

regulatorul de turaţie, etc. După ce a executat ungerea, uleiul poate fi recuperat în

carter. Este o ungere neeconomică şi nu atât de perfectă.

Ungerea mixtă satisface cel mai bine necesităţile diferite de ungere din motor,

întrucât lagărele sunt unse în abundenţă cu ulei sub presiune, iar cilindrul şi

pistoanele stropite cu picături fine de ulei. Aici ungerea prin pompă este completată

cu ungerea prin barbotaj.

3.13. Sistemul de răcire

Probleme generale privind răcirea motorului

În timpul funcţionării motorului termic cu ardere internă, organele lui care

vin în contact cu gazele arse, a căror temperatură, este ridicată, se încălzesc destul

de puternic.[8,27,33]

Temperatura maximă din camera de ardere atinge valori de l 800 –2000°C,

iar temperatura medie pe durata ciclului, pentru condiţiile normale de funcţionare a

motorului variază între 400-500°C.

În urma acestui fapt, se încălzesc toate organele motorului, în special o încălzire

puternică suferă cilindrii, chiuloasa, pistoanele şi supapele.

Dacă aceste organe nu vor fi răcite, atunci funcţionarea motorului devine

defectuoasă, în principal observându-se următoarele fenomene:

- se înrăutăţeşte ungerea organelor în frecare, deoarece uleiul începe

să se descompună la temperatura de 350°C, îşi pierde proprietăţile sale de

ungere, iar la 400°C începe să se cocseze şi să se ardă;

- datorită supraîncălzirii organelor motorului, are loc o dilatare

neuniformă a lor şi se modifică jocurile normale dintre organele în frecare;

- prin încălzire puternică, scad proprietăţile mecanice ale

materiarelor din care sunt executate organele motorului şi datorită

solicitărilor termice, apar deformaţii;

- se micşorează coeficientul de umplere a cilindrilor motorului, iar

ca rezultat scade puterea motorului;

- apare posibilitatea autoaprinderi şi detonaţiilor care pot provoca

defectarea şi chiar avarierea motorului.

Spre a evita aceste neajunsuri, motorului i se face o răcire artificială,

îndepărtând căldura de la piesele încălzite şi evacuându-se în afară, fie direct, fie

prin intermediul unui lichid.

Îndepărtarea căldurii de la organele motorului reprezintă o pierdere a unei

părţi din căldură obţinută prin arderea combustibilului, însă, ea este necesară

pentru asigurarea bunei funcţionări a motorului.

O răcire exagerată a motorului nu este bună, deoarece în acest mod are loc

condensarea combustibilului pe pereţii cilindrilor, se diluează uleiul, se

înrăutăţeşte ungerea, frecarea se măreşte, amestecul carburant se aprinde greu şi

147

arde încet, puterea motorului se micşorează, iar funcţionarea lui este neeconomică,

deoarece consumul de combustibil creşte.

Mărimea cantităţii de căldură care trebuie îndepărtată de la motor prin

răcire, depinde în mare măsură de construcţia lui, de felul cum este răcit şi în

medie variază în jur de 30% din toată cantitatea de căldură obţinută prin ardere.

Organele şi dispozitivele cu ajutorul cărora se face răcirea motorului

formează sistemul de răcire.

Rolul sistemului de răcire al motorului termic cu ardere internă este de a asigura

în timpul funcţionării lui îndepărtarea unei părţi din căldură şi a menţine organele

motorului la o anumita temperatura numită temperatură de regim termic normal.

La motoarele termice cu ardere internă sistemele de răcire pot fi de

două feluri:

- răcire directă, cu aer;

- răcire indirectă, cu lichid.

3.13.1 Sistemul de răcire directă

Sistemul de răcire directă, cu aer, se caracterizează prin aceea că îndepărtarea

căldurii de la organele încălzite ale motorului se face direct de către aerul exterior,

care scaldă organele motorului.

După destinaţia motorului respectiv, sistemul de răcire cu aer poate fi de două

tipuri: fără turbină şi cu turbină. [8,27,33]

La motoarele răcite cu aer (fig.7.1), suprafeţele exterioare a cilindrului şi

chiuloasei sunt prevăzute cu lamele, prin intermediul cărora se măreşte suprafaţa de

contact a motorului cu aerul şi căldura este cedată mai uşor. În vederea unei răciri

mai bune, chiuloasa se face din aliaj de aluminiu, iar la unele motoare peste cilindru

din fontă, se îmbracă o cămaşă cu lamele în exterior turnată din aluminiu sau cupru,

materiale cu coeficient de conductibilitate termică ridicat.

În cazul motoarelor cu mai mulţi cilindri, folosite pe autovehicule care se

deplasează cu viteză mare, motorul este scăldat de un curent puternic de aer, deci

căldura este cedată aerului uşor, atunci sistemul de răcire nu mai are alte dispozitive.

3.13.2 Sistemul de răcire indirectă

La acest sistem, căldura ce trebuie evacuată de la motor este preluată de

către apă, fiind apoi cedată aerului. Motorul este prevăzut cu un spaţiu liber în

jurul cilindrilor şi camerei de ardere prin care circulă apa, formând cămaşa de

apă sau de răcire, al motorului. [8,27,33]

Acest sistem de răcire în timpul funcţionării motorului asigură menţinerea

unei temperaturi scăzute şi mult mai constante în comparaţie cu sistemul de răcire

directă.

148

Temperatura optimă a apei în sistemul de răcire variază între 94-96°C la

motoarele pe petrol şi 80-90°C la motoarele pe benzină şi motoarele Diesel.

Acesta corespunde regimului termic normal al motorului.

Sistemele de răcire indirectă pot fi de următoarele tipuri: prin vaporizare, prin

termosifon, răcire cu circuit forţat, prin pompă de răcire cu circuit forţat prin pompă şi

termostat.

Sistemul de răcire cu circuit forţat prin pompă şi cu termostat se compune din

aceleaşi organe ca şi sistemul de răcire prin pompă, în plus (fig.3.58.), în racordul 3 din

chiuloasă, care face legătura cu radiatorul 6, se afla montat termostatul 8.

Acesta permite trecere apei spre radiator la răcire numai când temperatura ei a

depăşit 70°C. În felul acesta termostatul reglează automat circulaţia apei în sistemul de

răcire în funcţie de temperatură.

Fig.3.58. Schema sistemului de răcire forţat prin pompă şi cu termostat

Funcţionarea sistemului de răcire cu circuit forţat şi termostat este

următoarea: la pornire, când apa din sistem este rece, pompa de apă 5 antrenează

apa pe circuitul: pompă-bloc-chiuloasă şi prin ferestrele termostatului din nou la

pompă, deoarece termostatul menţine închis racordul de trecere a apei spre radiator.

Termostatul este un dispozitiv care reglează automat circulaţia apei din

sistemul de răcire şi menţine un regim de temperatură între limitele apropiate

regimului termic normal.

Deasemenea el ajută la încălzirea rapidă a motorului după pornire, lucru foarte

important mai ales pe timp rece. Termostatele sunt de mai multe feluri: cu lamelă

bimetalică, cu piston, însă răspândirea cea mai largă o au termostatele cu burduf cu

lichid şi supapă dublă.

Un asemenea termostat (fig3.59.) este format dintr-un cilindru de alamă 1

închis etanş, cu pereţii gonflaţi, formând un burduf elastic.

149

Fig.3.59. Termostatul

a- circulaţia apei scurtcicuitată; b- circulaţia apei prin radiator

În interiorul burdufului se află un lichid a cărui temperatură de fierbere este

sub 100°C (soluţie apoasă de eter). La partea superioară, pe burduf este montată tija

3, de care este fixată supapa dublă: inferioară 2 şi superioară 5. Burduful este montat

cu partea inferioară pe corpul termostatului 4, care lateral are două ferestre 6, ce pot

fi închise de supapa 2 iar la partea superioară un orificiu închis de supapa 5. Supapele

lucrează alternativ, când una este închisă, cealaltă este deschisă şi invers.

Termostatul se află montat într-o cameră a racordului chiuloasei care face

legătura cu radiatorul. De la camera termostatului porneşte o ramificaţie 7, sub forma

unei conducte de derivaţie, care merge la pompă.

La pornire, când motorul este rece, burduful este comprimat şi ambele supape

sunt lăsate în jos. Supapa superioară 5 închide accesul apei spre radiator lăsând-o să

treacă prin orificiile 6 deschise de supapa inferioară 2 şi prin conducta de derivaţie 7, la

pompa de apă, încât apa circulă numai în bloc şi chiuloasă şi se încălzeşte repede.

Când temperatura apei depăşeşte 70°C, lichidul din burduf se vaporizează şi se dilată,

întinde burduful şi o dată cu el începe să deplaseze supapele în sus.

Când motorul este încălzit şi temperatura apei a trecut de 80°C, supapa

superioară 5 este ridicată şi orificiul deschis complet, permiţând apei să treacă spre

radiator la răcire, în timp ce supapa inferioară 2, prin ridicare închide orificiile

laterale 6 şi opreşte trecerea apei spre pompă prin conducta de derivaţie 7. În acest

fel prin schimbarea poziţiei supapelor, se menţine automat temperatura optimă de

funcţionare a motorului.

Pompa de apă serveşte la antrenarea apei în sistemul de răcire forţat. La

tractoare şi automobile, pompele de apă sunt de tipul centrifugal, cu palete şi

pot avea amplasarea superioară, montate pe axul comun cu ventilatorul sau se

montează lateral în partea inferioară a blocului.

150

Aşezarea pompei de apă determină construcţia şi modul ei de acţionare.

Acţionarea se face prin roţi dinţate şi ax, de la angrenajele distribuţiei, sau prin curea

de la fulia arborelui motor. Pompa de apă cu aşezare inferioară este formată din:

corpul turnat din fontă şi capacul prins cu şuruburi. Între corp şi capac

etanşarea se face prin intermediul unei garnituri. Prin racordul de evacuare ,

pompa comunică cu cămaşa de apă a motorului.

Conducta de admisie este racordată prin intermediul unui manşon de cauciuc

cu bazinul inferior al radiatorului. Pe axul , este fixat rotorul cu palete3. Prin rotirea

axului paletele rotorului antrenează apa din bazinul inferior prin conducta şi o

refulează sub presiune prin racordul de evacuare în cămaşa de răcire. La amplasarea

superioară pompa se află montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului

cilindrilor, pe ax comun cu ventilatorul , fiind antrenată împreună cu acesta, prin una

sau două curele trapezoidale , de la fulia montată pe capătul dinainte al arborelui

cotit al motorului montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului cilindrilor,

pe ax comun cu ventilatorul , fiind antrenată împreună cu acesta, prin una sau două

curele trapezoidale , de la folia montată pe capătul dinainte al arborelui cotit al

motorului.

3.14. Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor

Puterea indicată pi si efectivă pef a motorului. [1,8,33,36]

În formă generală, puterea este definită ca lucru mecanic produs în unitatea

de timp. Dacă efectuăm o cantitate de lucru mecanic L kgm, în timpul t secunde,

atunci puterea se va exprima:

s/kgmt

LP

Deoarece lucrul mecanic este produsul forţei F, măsurată în kilograme forţă,

cu deplasarea S, măsurată în metri, atunci:

s/kgmt

FSP

Deci pentru determinarea puterii motorului conform acestei formule generale

trebuie să cunoaştem trei mărimi: forţa, deplasarea şi timpul.

Spre a determina puterea motorului în unităţi tehnice folosite practic, în

cai putere, atunci puterea exprimată în kgm/s trebuie împărţită la 75, cunoscând că

1 CP = 75 kgm/s.

98.375

CPt

FSP

Forţa se va determina ca produsul dintre presiunea medie a gazelor asupra

capului de piston. Pentru că presiunea se exprimă în kgf/cm2 atunci suprafaţa

capului de piston trebuie luată în cm2.

Suprafaţa capului de piston fiind suprafaţa unui cerc egala cu 4

d 2

151

Atunci: kgfp4

dF

i

2

în care: d este diametrul pistonului, luat în cm;

Pi - presiunea medie indicată reala, în kgf/cm2

Deplasarea, pe lungimea căreia acţionează forţa, va fi reprezentată prin cursa

S a pistonului, măsurată în metri.

Timpul, în care s-a efectuat lucrul mecanic se va reprezenta prin durata

efectuării unui ciclu, iar aceasta se determină după turaţia n a motorului, care se dă

în rotaţii pe minut.

Deoarece avem motoare la care ciclul se efectuează în 4 şi în 2 timpi, rezultă

că durata pentru fiecare ciclu va fi experimentată diferit.

La motorul în 4 timpi, un ciclu se efectuează la două rotaţii, deci la un motor

care are n rot/min se vor efectua:

n/2 ciclu în 60 secunde, iar

1 ciclu, în n

260

2

n

60 secunde

La motorul în 2 timpi, un ciclu se efectuează la o singură rotaţie, deci: n ciclu

în 60 secunde, iar l ciclu se efectuează în 60/n secunde.

Înlocuind în formula generală a puterii valorile forţei, deplasării şi timpului,

vom obţine:

Pentru motorul în 4 timpi, cu un cilindru

CP752604

Spd

75n

260

Sp4

nd

P ni

2i

2

i

Pentru motorul în doi timpi, cu un cilindru:

CP75604

Spd

75n

60

Sp4

nd

P ni

2i

2

i

Spre a generaliza formula puterii, indiferent de câţi timpi se realizează ciclul

motorului, este necesar să ţinem cont de coeficientul de timp. Dacă vom scrie:

sn2

k60t

în care: k este coeficientul de timpi şi anume: pentru motoare în patru timpi k = 4

şi pentru motoare în doi timpi k = 2, se poate observa uşor că înlocuind valoarea lui

k după caz, obţinem valoarea timpului în care se efectuează ciclul respectiv

exprimat prin turaţie.

Atunci formula puterii va primi forma generală:

152

CPk75604

SpdP

2ni

2

i

Dacă avem un motor cu mai mulţi cilindri, i este evident că puterea

lui va fi mai mare de atâtea ori câţi cilindri sunt, deci:

CPk75604

SpdP

2ni

2

i

(3.99)

Din formula 3.99 se vede ca produsul s

2

VS4

d

reprezintă cilindreea

motorului cu un singur cilindru, iar t

i

2

V4

Sd

volumul total al cilindrilor

motorului sau cilindreea totală, care obişnuit este exprimată în dm3 sau litri. Deoarece

în formula puterii diametrul pistonului a fost luat în cm iar cursa lui în m atunci pentru

a exprima cilindreea în dm3 sau litri aceste valori trebuie transformate în decimetri,

iar formula puterii va primi forma următoare:

CPk225

npV

k7560

2npV10P isis

i

Corespunzător, pentru un motor cu mai mulţi cilindri, vom avea:

100.32257560

210CP

k

npV

k

npVP itit

i

Puterea indicată a motorului, nu o putem folosi practic. Ea este o putere

convenţională stabilită de noi şi reprezintă acea putere care se dezvoltă în camera

de ardere a motorului în timpul funcţionării lui.

În mod efectiv noi folosim această putere după ce a fost transmisă până la

arborele cotit al motorului, suferind în procesul transmitem o sene de consumuri, care

practic le denumim pierderi. O parte din puterea indicată se consumă pentru

învingerea forţelor de frecare, acţionarea organelor ajutătoare ca: pompe,

ventilator, magnetou sau dinam etc.

Raportul dintre puterea efectivă si puterea indicata se numeşte randamentul

mecanic:

101.3i

ef

mP

P

de unde rezultă că puterea efectivă poate fi exprimată astfel:

niefPP

Însă consumurile din puterea indicată pot fi reprezentate drept pierderi

din presiunea medie indicată, în rezultat obţinându-se o presiune medie reală sau

efectivă pef, a cărei valoare va fi întotdeauna mai mică.

153

Aceasta înseamnă că raportul dintre presiunea medie efectivă şi presiunea

medie indicată ne va caracteriza de asemenea randamentul mecanic:

i

ef

mP

P

de unde rezultă:

mief

PP

Valoarea presiunii medii efective variază între 4-6 kgf/cm2. În baza acestor

considerente, introducând în formulele puterii indicate valoarea presiunii medii

efective, vom obţine formula puterii efective:

102.375604

22

CPk

iSpdP nmi

ef

şi exprimată prin cilindree:

103.3225225

CPk

nVp

k

nVpP

teftmi

ef

Valoarea randamentului mecanic depinde de turaţie şi pentru motoarele de

tractor şi automobil variază între 0,85-0,92.

Analizând puterea efectiva pef, se vede că ea creste daca se măreşte

presiunea efectivă, cilindreea totală, turaţia si dacă ciclul de funcţionare se

desfăşoară în mai puţini timpi.

- Presiunea efectivă medie se poale ridică prin mărirea gradului de

compresie, prin ridicarea coeficientului de umplere, îmbunătăţirea arderii şi

micşorarea pierderilor prin frecare.

- Creşterea cilindreei nu este recomandabilă deoarece duce la

îngreunarea construcţiei, creşterea dimensiunilor motorului, consum ridicat de

combustibil şi ulei etc.

- Turaţia contribuie cel mai mult la ridicarea puterii unui motor.

Totuşi ea este limitată de o serie de factori ca: creşterea forţelor de inerţie,

scăderea coeficientului de umplere, scăderea randamentului mecanic etc.

- Numărul de timpi în care se execută ciclul de funcţionare are

influenţă asupra puterii motorului. Teoretic un motor în 2 timpi este mai

puternic de două ori faţă de un motor în 4 timpi, la aceleaşi dimensiuni

constructive.

3.14.1 Consumul specific de combustibil şi randamentele motorului

Aprecierea sub aspect economic a funcţionării motorului se exprimă prin

consumul de combustibil pe unitatea de putere, adică pe un cal putere în timp de

o oră şi prin randamentele motorului, care caracterizează pierderile termice şi

mecanice.

Sub acest aspect, deosebim consum specific indicat şi randament indicat,

atunci când ne referim la puterea indicată a motorului şi consum specific efectiv

154

şi randamentul efectiv, atunci când ne referim la puterea efectivă a motorului.

[1,8,33,36]

Consumul specific indicat, reprezintă raportul dintre consumul orar de

combustibil faţă de puterea indicată a motorului.

104.3/1000 orăCPgP

Cc

i

h

în care: Ch este consumul de combustibil în kg/oră

Randamentul indicat i reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură

transformată în lucru mecanic indicat faţă de întreaga cantitate de căldură

consumată:

105.3632

hi

i

iCH

p

în care: 632=75.3600/427 este cantitatea de căldură echivalentă cu l cal

putere oră; Hi - puterea calorică inferioară a combustibilului, în kcal/kg.

Înlocuind valoarea consumului orar Ch prin consumul specific c atunci

randamentul indicat se va exprima:

106.31000632

ii

igH

din care se vede, că pe măsură ce consumul specific de combustibil este mai mic,

cu atât creşte valoarea randamentului indicat.

Valoarea randamentului indicat i variază între limitele:

- pentru motoare cu carburator, i= 0,20 - 0,28

- pentru motoare Diesel, i=0,35-0,45

Analog, putem determina:

Consumul specific efectiv, care reprezintă raportul dintre consumul orar de

combustibil şi puterea efectivă dezvoltată de motor:

ef

h

efP

Cc 1000 g/Cp oră efectivă (3.107)

Ţinând cont de faptul că:

mief

PP

atunci:

mi

h

efp

1000Cc

şi deoarece:

i

i

h cp

1000C

atunci:

m

i

ef

cc

g/CP oră efectiv (3.108)

155

Valorile consumului specific variază între limitele:

- pentru motoare cu carburator pe benzina, cef=200-275g/CP oră ef

- pentru motoare cu carburator pe petrol, cef = 250 - 325 g/CP oră ef,

- pentru motoare Diesel,ccf =175- 225 g/CP oră ef.

Randamentul efectiv ef sau randamentul economic caracterizează toate

pierderile de căldură şi mecanice.

El poate fi calculat după formula:

109.3632

ih

ef

efHC

p

sau:

110.31000632

ief

efHc

Deoarece raportul dintre puterea efectivă Pef şi puterea indicată Pi reprezintă

randamentul mecanic m atunci înlocuind valorile puterilor Pi si Pef deduse din

formulele 3.105 a randamentului indicat şi 3.109 a randamentului efectiv, obţinem:

i

ef

i

ef

mP

P

de unde rezultă:

111.3mief

Deci, randamentul efectiv este egal cu produsul randamentelor

indicat şi mecanic.

Valorile randamentului efectiv variază între limitele:

- pentru motoare cu carburator, ef = 0,22 - 0,27

- pentru motoare Diesel, ef = 0,28 - 0,36

Din formula 3.111 se vede că valoarea randamentului economic se poate

ridica dacă avem randamentele indicat şi mecanic cât mai mari.

Se ajunge către limitele superioare ale valorii randamentului economic

prin creşterea raportului de compresie, micşorarea pierderilor termice şi

îmbunătăţirea procesului de ardere, precum şi prin îmbunătăţirea construcţiei

organelor motorului, fapt prin care se micşorează pierderile mecanice

156

4. Transmisii folosite în construcţia bazei energetice pentru agricultură

4.1 Transmisii prin roţi dinţate(Angrenaje)

În cadrul transmisiilor mecanice actuale, cele cu roţi dinţate au cea mai largă

utilizare, asigurând construcţii compacte şi fiabile pentru întrega gamă de puteri

ale utilajelor[9,12,18,20,35].

Transmisiile cu roţi dinţate cuprind: reductoare; cutii de viteză; variatoare;

transmisii complexe.

Cea mai simplă transmisie cu roţi dinţate este formată din două roţi dinţate în

angrenare şi este denumită angrenaj.

După forma roţilor, se deosebesc următoarele tipuri de angrenaje: cilindrice

(fig.4. a,b,c.); interioare (fig.4. d,e.); elicoidale (fig.4. f.); conice (fig.4. g,h,i.);

hipoide (fig.4.j.); melcate (fig.4. k.); globoidale (fig.4.l.); cu cremalieră (fig.4. m.);

cu roată plană (fig.4. n.):

Fig.4.1. Tipuri principale de angrenaje.

157

4.2 Reductoare de turaţie

Reductoarele de turaţie cu roţi dinţate sunt mecanisme organizate ca

ansambluri independente, cu raport de transmitere constant, realizate în carcase

închise şi etanşe destinate reducerii turaţiei, concomitent cu amplificarea

momentului de torsiune transmis, şi multiplicatoare de turaţie cu roţi dinţate, care

realizează o creştere a turaţiei la ieşire.( 9,12,18,20,35 )

Reductoarele de turaţie au în construcţie, în general, angrenaje cilindrice,

conice şi melcate, montate în serie sau în serie-paralel, formând astfel treptele

reductorului. În domeniul reductoarelor cu rapoarte mari de transmitere pe o singură

treaptă, s-au dezvoltat construcţii având la bază angrenaje speciale: armonice, cu

bolţuri sau cu galeţi. (11)

Diversitatea de utilizări a dus la o mare varietate constructivă a reductoarelor

şi la realizarea acestora într-o gamă largă de puteri, rapoarte de transmitere, diferite

poziţii relative ale arborilor extremi, diferite poziţii de prindere pe maşina antrenată.

La reductoarele de uz general sunt standardizate: rapoartele de transmitere

(STAS 6012 - 82); distanţele dintre axe la angrenaje (STAS 6055-82); înălţimea

planului axelor de cuplare faţă de talpa de prindere (STAS 2741/6); simbolizarea

reductoarelor (STAS 6848-80); dimensiunile capetelor de arbori cilindrici şi conici

[STAS 8724/1,2,4-71,74], etc.

La reductoarele cilindrice cu una, două sau trei trepte tipurile şi parametrii

principali sunt precizaţi în STAS 6850-80 pentru tipurile 1C1, 2C1 şi 3C1, respectiv

în STAS 11915-80 pentru tipurile RV , 2RV, 3RV caracteristice instalaţiilor de

ridicat şi transportat.

În STAS 11917-80 se prezintă tipurile şi parametrii principali la reductoarele

cilindrice coaxiale, iar în STAS 11921-80 motoreductoarele cu angrenaje cilindrice

cu două şi trei trepte.

Nivelul înalt de tehnicitate, corelat cu marea varietate şi realizarea lor

economică a impus execuţia reductoarelor de turaţie în întreprinderi specializate,

dotate cu utilaje moderne.

Parametrii principali ai unui reductor sunt: tipul reductorului, puterea

transmisă P1, în [kW], turaţia la arborele motor n1 [rot/min] şi raportul de transmitere

i [adimensional].

158

Tabelul 10.4.

Mecanisme planetare cu una şi cu două roţi centrate

159

Fig.4.2. Mecanisme planetare cu trei roţi centrale

4.3 Transmisii prin curele

Transmisiile prin curele realizează transmiterea puterii de la roata motoare la

una sau mai multe roţi conduse, prin intermediul unui element flexibil fără sfârşit.

Transmiterea mişcării se poate realiza cu alunecare şi fără alunecare. [9,12,18,20,35]

Utilizarea transmisiilor prin curele în limitele parametrilor funcţionali, este

economică, asigură un nivel redus al vibraţiilor şi implicit, o fiabilitate mărită în

exploatare.

Transmisiile prin curele prezintă unele dezavantaje, care constau în gabaritul

lor relativ mare, iar în cazul transmisiilor cu fricţiune prin curele late şi trapezoidale,

nu asigură un raport de transmitere constant datorită alunecărilor, ale căror valori

sunt influenţate de variaţia coeficientului de frecare, depizând de condiţiile mediului

ambiant.

Tabelul 4.2

Domeniul de utilizare a transmisiilor prin curele

Tipul curelei

Puterea

transmisă

KW

Viteza

curelei

m/s

Utilizare

normală

Utilizare

limitată

Curele late foarte

flexibile

2000

90 1-6 10

Curele late

compound

5000 100 1-10 20

Curele

trapezoidale

1200 Clasice 30

Înguste 50

1-8 15

Curele late dinţate 400 80 1-8 10

160

4.3.1 Transmisii prin curele late

În funcţie de materialul din care sunt confecţionate curelele, se disting

următoarele tipuri :

Curele din piele, sunt confecţionate din piele de bovine într-un strat, două

sau mai multe straturi, lipite între ele pe toată lungimea curelei, pe partea cărnoasă

a acesteia.

Flexibilitatea lor depinde de conţinutul de grăsime: foarte flexibile (7%),

flexibile (14%), rezistente-standard (25%).

Curele din ţesuturi, sunt confecţionate din textile naturale sau din fibre

sintetice. Curelele din ţesături se pot confecţiona într-unul sau mai multe straturi,

îmbinate pe toată lungimea prin coasere sau într-o textură specială, lipite iar în cazul

curelelor cauciucate prin vulcanizare.

Curele compound, realizate în mai multe straturi, oferă cumulat avantajele

datorate proprietăţilor de rezistenţă ale materialelor plastice, precum şi a celor de

fricţiune specifice curelelor din piele [6].

Performanţele foarte ridicate le recomandă numai pentru cazuri speciale de

utilizare. Curelele compound sunt rezistente la produse petroliere, sunt flexibile,

permit transmiterea puterii cu oscilaţii minime, sunt antielectrostatice, au o

durabilitate mare şi sunt practic insensibile la umiditate.

Curelele de acest tip având inserţie (folie de poliamidă) se execută la orice

lungimi, cu lăţimi până la 1200 mm şi se pot lungi, scurta sau repara.

Curelele cu inserţie de şnur poliamidic se realizează numai fără fire, la

lungimi de max 10 000 mm şi lăţimi până la 500 mm.

4.3. 2 Elemente constructive

Îmbinarea curelelor late pot fi fără sfârşit sau îmbinate prin lipire, coasere

sau vulcanizare sau cu elemente metalice. Lipirea cu adezivi sintetici asigură

rezistenţe ridicate la tracţiune, realizându-se sub formă de pană, pe lungimi conform

prevederilor STAS 758-83.

Îmbinarea curelelor cu elemente metalice, precum şi coaserea suprapusă, se

utilizează - în special - în cazul curelelor din fibre textile ţesute, aceste îmbinări

introducând şocuri şi vibraţii în transmisie, motiv pentru care viteza de funcţionare

a acestora este mai mică de 10m/s.

Roţile pentru transmisiile prin curele late, structura roţilor de curea diferă în

funcţie de dimensiunile acestora, în special de valoarea diametrului exterior D şi de

lăţimea b.

În vederea asigurării stabilităţii în funcţionare a curelei, suprafaţa activă a

roţilor de curea este prevăzută cu un bombament, a cărui valoare este reglementată

în STAS 6011-83.

161

Pentru transmisiile cu axe paralele şi viteză mai mare de 50 m/s, ambele

roţi sunt bombate, pentru transmisiile multiple nu se admit bombamente decât la

roţile care acţionează pe aceeaşi parte a curelei, celelalte roţi, vor fi fără bombament.

La transmisiile cu axe încrucişate, semiîncrucişate şi pentru viteze mai mici

de 20 m/s, roţile de curea nu vor fi prevăzute cu bombamentă.

Roţile de curea se execută din fontă de calitate sau din aliaje de aluminiu

rezistente, iar pentru v>40 m/s din oţel turnat sau în construcţie sudată.

Fig.4.3Îmbinarea curelelor late prin elemente metalice: a,b - cu agrafe, c,d - cu

eclise cap la cap, e - cu eclise prin îndoire, cu

şuruburi, f - prin îndoire, cu tiranţi.

Sisteme de tensionare a transmisiilor prin curele late - tensionarea

permanentă se face prin scurtarea curelei, respectiv prin mărirea distanţei dintre axe.

Metodele au dezavantajul că necesită periodic controlul stării de tensionare şi luarea

măsurilor necesare situării transmisiei în limitele condiţiilor iniţiale.

Cauza acestor intervenţii este apariţia unor alungiri remanente, sub efectul

sarcinii transmise şi stării de oboseală specifice materialului curelei.

În vederea unei compensări permanente a acestor alungiri remanente şi

totodată asigurării realizării permenente a performanţelor transmisiei prin curele, în

condiţiile unei mai raţionale adaptări a acesteia în funcţie de variaţiile momentului

rezistent, se utilizează sistemul de tensionare cu rolă acţionată prin

greutate.[9,12,18,20,35].

4.3.3 Transmisii prin curele trapezoidale şi dublu trapezoidale

Se disting o multitudine de tipuri în funcţie de forma geometrică a secţiunii

şi performanţele funcţionale, (puterea transmisă, viteză periferică limită,

flexibilitate etc.). [13]

162

Curelele trapezoidale clasice: Y, Z, A, B, C şi D, la care dimensiunile

caracteristice sunt date în STAS 1164/1-71, iar condiţiile de calitate în STAS

1164/2-79.

Curelele trapezoidale înguste: SPZ, SPA, SPB şi SPC, la care dimensiunile

geometrice sunt conform STAS 7192/2-83. Aceste tipuri de curele conferă avantajul

unei suprafeţe mărite de contact în canalul roţii, deci o mai mare rezistenţă la rupere,

comparativ cu curelele clasice.

Curelele trapezoidale speciale, la care forma concavă a flancurilor în stare

liberă oferă avantajul unei aşezări corecte în funcţionare şi, implicit, o durabilitate

superioară.

În vederea evitării vibraţiilor datorită funcţionării în paralel a mai multor

curele, precum şi a încărcărilor inegale ale acestora, s-au realizat curele concave

multiple monolite, cu două, trei, patru sau cinci curele în paralel.

Curelele dublu trapezoidale, asigură transmiterea mişcării în cazul

transmisiilor cu mai multe roţi conduse dispuse pe ambele părţi ale curelei

4.3.4 Transmisii prin lanţuri

Transmisiile prin lanţuri sunt larg utilizate în construcţia de maşini

prezentând, comparativ cu alte tipuri de transmisii, o serie de avantaje: arborii şi

lagărele transmisiei cu lanţ suportă numai reacţiunile datorate cuplului transmis,

lanţurile neimpunând o forţă de întindere la montaj, raportul constant de transmitere,

realizarea unor distanţe dintre axe relativ mari, fără a necesita investiţii suplimentare

ca în cazul transmisiilor prin roţi dinţate. [35]

Principalele dezavantaje ale transmisiei prin lanţuri derivă din efectul

poligonal datorat înfăşurării poligonale a zalelor pe periferia roţilor de lanţ.

Ca urmare a acestui efect şi a şocului ciocnirii dinte-rolă, transmisia prin lanţ este

mai puţin silenţioasă, permiţând o viteză periferică relativ mai mică. În plus, viteza

de mişcare a lanţurilor, în special în cazul unui număr mic de dinţi ai roţilor, nu este

riguros constantă, ceea ce produce o neuniformitate a turaţiei roţii conduse, chiar în

cazul unei turaţii constante a roţii conductoare.

.

4.4. Transmisii cardanice

4.4.1 Arbori cardanici

Prin transmisie cardanică se înţelege un ansamblul de organe de maşini

(articulaţii arbori, cuplaje de siguranţă,amortizoare,paliere intermediare, etc) care

constituie o unitate funcţianală independentă ce serveşte la transmiterea energiei

mecanice la distanţă, prin mişcarea de rotaţie, fără amplificarea momentului de

torsiune.[11]

163

Arborele transmisiei cardanice constituie unul dintre elementele principale

ale acestui mecanism, datorită rolului lui funcţional de a transmite la distanţă

momente de răsucire şi uneori forţe axiale (fig.4.4).

În general, arborele este format dintr-o piesă cilindrică şi piese auxiliare care

servesc pentru prinderea articulaţiilor. Pe baza diferitelor criterii cinematice şi

constructive sunt posibile diverse clasificări. Astfel, dacă transmisia cardanică nu

permite compensări axiale, arborii vor avea lungimea constantă, iar în caz contrar,

arborii vor avea lungimea variabilă.

Fig. 4.4 . Arbori cardanici tubulari.

În figura 4.4 este prezentat un arbore cardanic tubular de lungime constantă

în care furcile articulaţiilor sunt îmbinate prin sudură. Arborele reprezentat are

diametrul mărit în partea centrală, ceea ce asigură mărirea turaţiei critice la

încovoiere. Atunci când la turaţii mijlocii, sunt necesari arbori cardanici de lungime

mare se utilizează una dintre variantele prezentate în figură.

Arborele se execută secţionat pentru compensarea erorilor de montaj. Cele

două părţi ale sale sunt apoi legate printr-un cuplaj permanent. Cu astfel de arbori

se pot obţine, la montaj, compensări axiale până la 30 mm. În timpul funcţionării,

lungimea arborelui rămâne constantă.

Dacă în timpul funcţionării sunt necesare compensări axiale se utilizeză

arbori telescopici. În acest caz îmbinarea dintre capătul unui arbore şi butucul furcii

corespunzătoare se realizează, în general, prin caneluri.

164

În figura 4.5 sunt prezentaţi arbori telescopici a şi b, comform celor

prezentate anterior.

Fig. 4.5. Arbori telescopici şi arbori folosiţi în construcţia locomotivelor Diesel.

Arborele cardanic întâlnit în construcţia locomotivelor Diesel (fig.4.5, este

capabil să transmită momente de răsucire mari. Atunci când lungimea arborelui

telescopic este mai mare şi sunt necesare compensări axiale mari acesta se poate

executa din două bucăţi îmbinate prin sudură.

În cazul în care arborii cardanici lucrează în medii cu impurităţi îmbinarea

telescopică se realizează printr-un arbore profilat cu prevederea unor măsuri

speciale de protecţie.

165

4.5. Ambreiajul principal

4.5.1 Rolul şi condiţiile impuse ambreiajelor

Ambreiajul principal este un cuplaj cu rol de decuplare temporară şi cuplare

progresivă a motorului cu transmisia, necesare în următoarele situaţii:

pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin

pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin

creşterea progresivă a sarcinilor din organele transmisiei; [9,12,18,20].

oprirea temporară a tractorului cu motorul în funcţiune;

schimbarea treptelor de viteze;

demararea sau oprirea temporară cu motorul în funcţiune a maşinilor

staţionare acţionate de priza de putere dependentă;

limitarea valorii maxime a cuplului din organele transmisiei şi motorului în

cazul când rezistenţele exterioare ce acţionează asupra tractorului cresc exagerat

de mult.

Ambreiajului principal i se pun condiţii specifice de funcţionare precum:

siguranţă în transmiterea cuplului motor în orice condiţii de exploatare

decuplarea rapidă şi completă, deoarece un cuplu remanent îngreunează

schimbarea treptelor de viteze;

construcţia simplă şi raţională astfel ca momentul de inerţie al părţilor

conduse să fie minim uşurând schimbarea treptelor de viteze prin micşorarea

şocurilor din danturi;

echilibrarea dinamică şi lipsa forţelor laterale;

evacuarea uşoară a căldurii de la suprafeţele elementelor de frecare pentru

mărirea durabilităţii pieselor ambreiajului,

exploatare şi întreţinere uşoare prin posibilitatea manevrării comode a

montării şi demontării uşoare precum şi reglajele lor simple.

4.5.2 Procesul de demarare al tractorului

Pentru a pune în mişcare tractorul, după pornirea motorului, se decuplează

ambreiajul principal şi se cuplează treapta de viteze cu care se lucrează. Înainte de

a cupla ambreiajul, mecanismul de reglare a debitului de combustibil se fixează în

poziţia regimului de lucru. Debitul mărit de combustibil care intră în cilindri duce

la creşterea rapidă a turaţiei motorului până la valoarea corespunzătoare mersului în

gol şi se cuplează lin ambreiajul, motorul intrând progresiv în sarcină, permiţând

regulatorului să crească debitul de combustibil.

Tractorul porneşte din loc atunci când momentul de frecare al ambreiajului

îl egalează pe cel rezistent, în care ambreiajul are patinare totală. Această perioadă

este de ordinul fracţiunilor de secundă ajungând până la 1 - 15 s, depizând de

sarcină, lucrul mecanic de frecare fiind transformat în căldură. Prelungirea acestei

166

perioade conduce la deteriorarea ambreiajului prin supraîncălzire. Perioada

prezentată se consideră a fi prima perioadă de demarare.

Fig.4.6 Diagrama funcționării ambreiajului mecanic

A doua perioadă de demarare se caracterizează prin patinarea parţială a

ambreiajului, viteza unghiulară a elementelor conduse creşte permenent mărind

treptat viteza de deplasare a tractorului. Turaţia arborelui cotit al motorului se

reduce, datorită acţiunii de frânare a momentului de frecare al ambreiajului, de aceea

energia cinetică a motorului trebuie să fie suficientă pentru ca motorul să nu se

oprească. [9,12,18,20,35].

Perioada a treia începe la timpul când patinarea ambreiajului încetează,

vitezele unghiulare ale arborelui cotit al motorului devenind egale. Se egalează şi

momentele corespunzătoare părţilor conduse şi ale celor conducătoare, momentul

scăzând în continuare până la atingerea unei valori egale atunci când viteza

tractorului se stabilizează.

4.5.3 Ambreiaje simple

Ambreiajele simple realizează forţa de apăsare între suprafeţele de frecare cu

ajutorul unor arcuri montate pe partea frontală a discului de presiune sau utilizând

un arc central. [9,12,18,20,35].

În figura 4.6 ,a reprezintă schema de principiu a ambreiajului monodisc.

Partea conducătoare constituită din volantul 1, carcasa 2 şi discul de presiune 3 este

solidară la rotaţie cu arborele cotit al motorului. Între volant şi discul de presiune,

ce se poate deplasa axial cu ajutorul buloanelor 4, se montează discul condus 10,

fixat pe butucul 11 la rândul sau montat liber pe arborele canelat 8 al ambreiajului.

Pentru mărirea coeficientului de frecare, discul condus este prevăzut cu garnituri de

fricţiune. Prin apăsarea realizată de arcurile 9 se creează un moment de frecare între

suprafeţele aflate în contact încât cuplu motor de la volant se va transmite prin discul

de fricţiune la arborele ambreiajului.

167

Decuplarea se realizează apăsând pedala 7 a mecanismului de decuplare prin

deplasarea manşonului 6 care apasă pe pârghiile de decuplare articulate cu buloanele

4 ce retrag discul de presiune comprimând suplimentar arcurile.

Fig .4.6 . Scheme de ambreiaje simple normal cuplate:

a - cu un singur disc, b - cu mai multe discuri.

4.6 Cutia de viteze

4.6. 1Rolul şi clasificarea cutiilor de viteze

Rolul cutiilor de viteze. Cutia de viteze este necesară pentru: modificarea

momentului de răsucire la roţile motoare, respectiv a vitezei de deplasare a

tractorului adaptând astfel tractorul la condiţiile de lucru, obţinerea mersului înapoi

al tractorului şi staţionarea îndelungată a tractorului cu motorul în funcţionare.

[9,12,18,20,35].

Fundamentarea teoretică a rolului cutiei de viteze este aceea de a asigura un

număr suficient de trepte de viteză şi cu rapoarte de transmitere alese raţional trebuie

să asigure funcţionarea tractorului cu o înaltă economicitate şi productivitate, într-o

gamă de viteze dată.

În afară de aceasta, cutiei de viteze i se impun următoarele condiţii:

- construcţie simplă;

- greutate şi gabarit reduse;

- cuplare rapidă şi uşoară;

168

- fiabilitate şi mentenabilitate ridicată.

Clasificarea cutiilor de viteze, se poate face după mai multe criterii:

După felul modificării raportului de transmitere, cutiile de viteze se clasifică

în următoarele categorii:

- cutii de viteze în trepte;

- cutii de viteze progresive;

- cutii de viteze mixte, care prezintă o combinaţie a două din tipurile

precedente(de exemplu cutiile hidromecanice).

După felul acţionării, cutiile de viteze pot fi cu acţionare directă,

semiautomată şi automată. La cutiile de viteze cu acţionare directă, schimbarea

vitezelor se face direct de către utilizator cu ajutorul unor pârghii, folosindu-se de

energia sa musculară. La cutiile de viteze cu acţionare semiautomată, o parte din

operaţii sunt executate de tractorist, iar restul de mecanisme speciale care

utilizează o parte din energia motorului, ceea ce simplifică şi uşurează într-o

măsură însemnată efortul fizic al utilizatorului.

La cutiile de viteze cu acţionare automată, toate operaţiile, privind

acţionarea cutiei de viteze şi alegerea raportului de transmitere necesar, se fac fără

participarea tractoristului.

4.6.2 Cutii de viteze în trepte, la care schimbarea treptelor este însoţită de

întreruperea fluxului de putere

În prezent, la majoritatea tractoarelor agricole şi la multe din tractoare

industriale se folosesc cutii de viteze în trepte. Marea varietate a lucrărilor executate

de tractoare a impus mărirea numărului de trepte la cutiile de viteze, noile modele

de tractoare agricole fiind echipate cu cutii de viteze care asigură 8 - 16 trepte sau

chiar mai multe.

Clasificarea cutiilor de viteze în trepte poate fi făcută după mai multe criterii:

După schema cinematică: cu axe de rotaţie fixe, cu axe mobile.

După plasarea arborilor: cu arbori longitudinali sau transversali în raport cu axa

longitudinală a tractorului.

După modul de angrenare al roţilor: cu roţi baladoare, cu roţi cu angrenare

permanentă.

După numărul grupurilor de roţi dinţate baladoare: cu două, trei sau patru grupuri.

După numărul treptelor de viteze pentru mersul înainte şi pentru mersul înapoi.

Numărul treptelor de viteze de mers înapoi este mai mic în comparaţie cu numărul

treptelor de mers înainte, însă la cutiile de viteze cu inversor numărul treptelor de

mers înainte poate fi egal cu numărul treptelor de mers înapoi.

După modul de obţinere a mersului înapoi: cu una sau cu două roţi interme-

diare, cu inversor.

După modul de cuplare a treptelor: schimbarea treptelor este însoţită de opri-

rea tractorului, cuplarea treptelor făcându-se cu ajutorul roţilor baladoare sau

a mufelor de cuplare,schimbarea treptelor se face fără întreruperea fluxului de

169

putere cu ajutorul ambreiajelor de fricţiune şi uneori al frânelor.

Cutia de viteze cu doi arbori, se compune din arborele primar 1 şi secundar 2,

care transmite momentul la transmisia centrală. Diferitele trepte de viteze se obţin

prin cuplarea roţilor deplasabile de pe arborele secundar cu roţile corespunzătoare

de pe arborele primar.

Cutia de viteze realizează (5+1) trepte de viteze: cinci pentru mersul înainte şi

una pentru mersul înapoi. Raportul maxim de transmitere al acestor cutii de viteze

este icv < 3 iar la treptele folosite rar icv < 3-4. Cu ajutorul acestor cutii de viteze

este greu de obţinut un număr mai mare de 4 sau 5 trepte de viteze, întrucât trebuie

mărită lungimea arborilor, iar pentru a păstra rigiditatea trebuie mărit şi diametrul

lor.

Fig. 4.7. Scheme cinematice de cutii de viteze în trepte:

a,b - cu doi arbori, c - cu trei arbori, cu priză directă, d - cu trei arbori, fără priză

directă, 1 - arbore primar, 2 - arbore secundar, 3 - arbore intermediar, 4 – osie

pentru mers înapoi, 5 - roată baladoare pentru mers înapoi,6 - angrenaj permanent,

7 - roată baladoare.

Cutiile de viteze cu trei arbori au, în afară de arborele primar 1 şi secundar

2, un al treilea arbore - arborele intermediar 3. Acesta se află în legătură permanentă

cu arborele primar prin angrenajul 6. Aceste cutii de viteze pot fi cu priză directă şi

fără priză directă. Cele cu priză directă au arborele primar şi pe cel secundar aşezaţi

170

coaxial: capătul din stânga al arborelui secundar 2 se sprijină pe un rulment fixat în

capătul din dreapta al arborelui primar 1. Priza directă se realizează prin deplasarea

roţii 7 spre stânga. În acest caz, arborele primar şi cel secundar se rotesc cu aceeaşi

turaţie, iar arborele intermediar funcţionează în gol. Cu ajutorul cutiilor de viteze cu

trei arbori pot fi obţinute rapoarte de transmitere icv < 7.

Cutiile de viteze cu doi arbori au următoarele avantaje în comparaţie cu cele

cu trei arbori: randamentul mai ridicat (cu cca 2%), numărul redus de roţi , arbori şi

rulmenţi. Aceste cutii realizează însă rapoarte de transmitere mai mici.

Spre deosebire de automobile unde priza directă este obligatorie, la tractoare

această soluţie constructivă nu este obligatorie, întrucât tractorul poate lucra

frecvent în orice treaptă şi, prin urmare el trebuie să aibă randament bun la toate

treptele, din acest punct de vedere, cutiile de viteze cu doi arbori sunt de preferat.

4.7 Diferenţialul tractoarelor pe roţi

4.7.1 Rolul şi clasificarea diferenţialelor

Diferenţialul este componenta transmisiei care permite roţilor motoare să se

rotească cu viteze unghiulare diferite. În lipsa diferenţialului, în anumite condiţii de

deplasare ale tractorului apare între roţile punţii motoare o circulaţie de puteri.

Necesitatea diferenţialului apare în următoarele cazuri: [9,12,18,20,35].

când roţile motoare ale aceleiaşi punţi parcurg, în acelaşi timp, spaţii neegale;

când razele de rulare ale roţilor punţii motoare nu sunt egale.

Dacă roţile motoare ar fi montate pe acelaşi arbore, deplasarea tractorului în

condiţiile menţionate nu este posibilă fără alunecarea şi patinarea roţilor, ceea ce

conduce la: uzura rapidă a anvelopelor, creşterea consumului de combustibil,

sporirea solicitărilor din organele punţii, manevrarea mai dificilă a direcţiei şi

creşterea pierderilor mecanice.

Clasificarea diferenţialelor tractoarelor pe roţi se face după următoarele

criterii:

- locul de dispunere în transmisie;

- valoarea momentului transmis celor doi arbori planetari;

- construcţia şi principiul de funcţionare.

După locul de dispunere în transmisie se deosebesc diferenţiale dispuse între roţile

aceleiaşi punţi motoare şi diferenţiale dispuse între punţile motoare ale tractorului

cu patru roţi motoare.

După valoarea momentului transmis celor doi arbori diferenţialele pot fi simetrice

sau asimetrice. În cazul diferenţialelor simetrice momentul este distribuit în mod

egal celor doi arbori planetari, iar la diferenţialele asimetrice momentul se distribuie

celor doi arbori planetari într-un anumit raport (fig.4.8).

171

Fig. 4.8 . Diferenţiale simple cu angrenaje conice:a - simetric, b - asimetric, 1 -

coroana transmisiei centrale, 2 - carcasa diferenţialului, 3 - sateliţi simpli, 31

sateliţi dubli, 4 - pinioane planetare, 5 - transmisia finală.

După construcţie diferenţialele se clasifică astfel: cu angrenaje

conice, cu angrenaje cilindrice, cu angrenaje melcate şi cu came.

După principiul de funcţionare diferenţialele se clasifică în:

simple, blocabile şi autoblocabile

4.7.2Diferenţialul simplu simetric

La deplasarea tractorului în linie dreaptă dacă rezistenţele la rulare şi

aderenţa cu solul sunt aceleaşi la ambele roţi iar razele de rulare sunt egale arborii

planetari 1 şi 2 se rotesc cu aceeaşi viteză unghiulară ca şi carcasa diferenţialului

astfel încât sateliţii nu se vor roti în jurul propriilor axe, diferenţialul fiind blocat. În

acest caz momentul carcasei diferenţialului este transmis în părţi egale celor doi

arbori planetari. Din condiţia de echilibru dinamic a diferenţialului se poate scrie

următorul bilanţ de momente (fig.4.9) comform relaţiilor:

172

Fig. 4.9 . Schema cinematică a diferenţialului simplu simetric cu angrenaje

conice.

La deplasarea tractorului în viraj, vitezele unghiulare ale arborilor planetari

nu mai sunt egale. Acest lucru este posibil datorită diferenţialului, prin rotaţia

sateliţilor în jurul axelor proprii. [9,12,18,20,35].

În această situaţie, între vitezele unghiulare ale arborilor planetari şi viteza

unghiulară a carcasei diferenţialului, există relaţia dată de legea diferenţialului. În

cazul diferenţialului deblocat apar frecări între organele componente ale acestuia,

caracterizate prin momentul de frecare Mf , care se opune rotirii arborelui planetar

cu turaţie mai mare. Dacă se neglijează frecarea interioară din diferenţial, se poate

exprima că, şi în viraj, sau la patinarea parţială, diferenţialul simplu simetric

transmite celor doi arbori planetari momente egale.

Tractoarele prevăzute cu diferenţiale simple simetrice au forţele motoare ale

roţilor limitate de valoarea aderenţei. Dacă se consideră că roata motoare ce aparţine

arborelui planetar 1 se găseşte pe o porţiune de teren cu aderenţă scăzută atunci forţa

motoare Fms ce poate fi obţinută la această roată este limitată de aderenţă şi se

determină cu relaţia:

în care: Z2s este reacţiunea normală a solului asupra roţii,

r2 - raza dinamică a roţii motoare.

În cazul în care momentul M1 transmis arborelui planetar 1 dă naştere la o

forţă motoare Fms=M1if/r2 mai mare decât cea obişnuită, roata începe să patineze.

173

Ţinând seama de repartiţia momentelor la cei doi arbori planetari în cazul

diferenţialului simplu simetric rezultă că cealaltă roată, aflată pe un teren cu

aderenţă ridicată, nu va putea dezvolta o forţă motoare mai mare decât prima roată.

În consecinţă, valoarea forţei motoare, Fmd va fi limitată de cea a forţei Fms de la

roata cu aderenţă scăzută, adică:

Dacă suma rezistenţelor la deplasarea tractorului depăşeşte suma forţelor

motoare de la cele două roţi motoare (Fms + Fmd ), roata cu aderenţa scăzută va avea

o patinare totală, în timp ce roata cu aderenţă ridicată va înceta să se mai rotească,

iar tractorul se va opri. Rezultă că în cazul unui tractor echipat cu un diferenţial

simplu simetric forţa motoare realizabilă la puntea motoare nu poate depăşi dublu

valorii forţei motoare a roţii cu aderenţa cea mai scăzută. Pentru a înlătura acest

dezavantaj respectiv pentru a îmbunătăţi calităţile de tracţiune ale tractoarelor pe

roţi se folosesc diferenţiale cu blocare facultativă sau diferenţiale autoblocabile.

Cu ajutorul unui cuplaj M, montat între arborii 1 şi 2 ai roţilor motoare. La

deplasarea spre dreapta a manşonului cei doi arbori se unesc rigid între ei blocând

diferenţialul. Faţă de soluţia precedentă, cuplajul de blocare este mai solicitat, fiind

dispus după transmisia finală. Din acest motiv dimensiunile cuplajului sunt mai mari

iar acţionarea mai dificilă. [9,12,18,20,35].

- cu ajutorul un unui cuplaj M, montat între arborii suplimentari 1 şi 2, legaţi

cinematic cu arborii roţilor motoare (fig.4.9Arborii 1 şi 2 (folosiţi şi pentru montarea

frânelor) prin unirea cu cuplajul M blochează diferenţialul (fig.4.9).

Diferenţialele cu blocare facultativă prezintă următoarele dezavantaje:

- neautomatizarea intrării în funcţiune, astfel că realizarea avantajelor asigurate de

blocare sunt dependente de deprinderile şi calificarea tractoristului;

- necesitatea uni dispozitiv de acţionare care complică construcţia;

- conducerea tractorului este mai complicată;

- cuplarea manşonului de blocare este însoţită de şocuri.

Diferenţialele autoblocabile se caracterizează printr-o distribuţie neuniformă

a momentului carcasei la cei doi arbori planetari atunci când aceştia se rotesc cu

viteze unghiulare diferite. Astfel roata motoare cu aderenţă mai mare poate

transmite un moment mai mare decât roata cu aderenţă mai mică..

Diferenţialele autoblocabile se clasifică după principiul de funcţionare în:

- diferenţiale autoblocabile cu frecare interioară mărită;

- diferenţiale autoblocabile cu cuplaje unisens.

Diferenţialele autoblocabile cu frecare interioară mărită se bazează pe rolul

pe care îl are frecarea interioară asupra distribuţiei momentului la cei doi arbori

planetari. Tendinţa de creştere a turaţiei unuia din arborii planetari este frânată de

momentul de frecare interioară.

Din punct de vedere constructiv se deosebesc următoarele tipuri de

diferenţiale cu frecare interioară mărită:

- cuplaje cu fricţiune;

174

- angrenaje melcate sau cu came şi tacheţi.

Proprietăţile de blocare ale diferenţialului se apreciază printr-un coeficient

de blocare definit ca valoare maximă a raportului dintre momentul M2 ( transmis

roţii motoare cu turaţie mai redusă) şi momentul M1 (transmis roţii motoare cu

turaţie mărită):

Din aceste relaţii rezultă că arborele planetar al roţii cu viteză unghiulară mai

mică este cu atât mai încărcat faţă de arborele planetar cu viteză unghiulară mai

mare cu cât coeficientul de blocare are o valoare mai mare.

175

BIBLIOGRAFIE

1. Abăităncei. D şi colab.- Motoare pentru automobile şi tractoare. Vol. I şi

II. Editura Tehncă Bucureşti. 1978- 1980

2. Aramă C. ş.a- Instalaţii pentru alimentarea cu combustibil a motoarelor

cu ardere intrenă. Editura Tehnică. Bucuresti 1966.

3. Bazovsky , I. Fiabilité. Théorie et pratique de la surété de fonctionnement.

Paris, Dunod, 1966

4. Boţan. , N.V, C.- Acţionarea electrică a mecanismelor cu volantă.

Bucureşti . Ed Tehnică. 1987

5. Bekker. M.G.- Introduction to terrain – n. The University of Michigan

Press, 1987.

6. Buzea I. şi colab. Îndrumătorul mecanicului agricol. Ed. Ceres, Bucureşti

1980.

7. Buzdugan Gh. şi Blumenfeld M. Calcul de rezistenţă al pieselor de

maşini.Bucureşti, Ed. Tehnică, 1979.

8. Bobescu, Ghe. Şi colab. – Motoare pentru automobile şi tractoare. Vol. II.

Dinamică, calcul şi construcţie. Chişinău . Ed Tehnică. 1998

9. Cioclov D. Rezistenţă şi fiabilitate la solicitări variabile. Timişoara, Ed.

Facla, 1975.

10. Drujinim G. V. Siguranţa în funcţionare a sistemelor. Bucureşti, Ed.

Tehnică, 1968.

11. Drăghici I. şi colab. Îndrumări de proiectare în construcţia de maşini.

Bucureşti, Ed. Tehnică, 1981.

12. Dumitrescu. I. şi colab. – Exploatarea tractorului U- 1010 DT. Editura

Ceres. Bucureşti 1987.

13. Keleman, A. – Actionări electrice. Bucureşri. Ed. Didactică şi Pedagogică,

1979

14. Ireson G. W. Reability HandbooK. New York, 1966.

15. Ionescu Enache şi colab – Trctoare şi automobile. Vol I şi II. Universitaria

din Braşov. 1979

16. R. Mărdărescu şi colab – Motoare pentru automobile şi tractoare.

Bucuresti Ed. Didactică şi Pedagogică 1968.

17. Mc. Cool I. Multiple comparison for weibull parameters în IEE

Transactions on reliability 1975.

18. Mihăţoiu, I. şi colab. – Tractoare. Editura Ceres. Bucureşti 1989.

19. Niculescu D. Siguranţa în funcţianare a maşinilor, aparatelor, utilajelor

şi instalaţiilor tehnologice 1973.

20. Năstăsoiu, S. Popescu, S. Şi calob. Tractoare. Editura Didactică şi

Pedagogică. Bucuresti. 1983.

21. Negrescu, N. ş.a. – Motoare cu ardere internă. Curs universitar. Bucureşti.

Vol II. IV. 1985-1988

176

22. Oprean A. şi colab Fiabilitatea maşinilor unelte. Bucureşti, Ed. Tehnică,

1979.

23. Popescu, S. şi colab.- Automatizarea maşinilor şi isntalaţiilor agricole.

Îndrumar de lucrări practice. Universitatea din Braşov1985

24. Rădulescu Gh. şi colab Îndrumari de proiectare în construcţia de maşini.

Bucureşti, Ed. Tehnică, 1986.

25. Seracin, E. – Actionări electrice. Timişoara. Litografia Inst. Politehnic.

1980.

26. Sărăcin, I. – Motoare şi tractoare. Craiova. Reprografia Universităţii din

Craiova.1997

27. Sărăcin I. Baza energetică pentru agricultură. Craiova, Ed. Universitaria,

2000.

28. Sărăcin I. – Baza energetică pentru agricultură. Motoare. Craiova. Editura

Europa. 1999

29. Stratulat, M. Şi Copae, I. Alimentarea motoarelor cu aprindere prin

scănteie. Vol. I şi II. Editura Tehnică. Bucureşti. 1992.

30. Şandru, A. Popescu, S. Şi colab. – Exploatarea utilajelor agricole. Ed.

Didactică ş Pedagogică. Bucureşti.1981

31. Toma D. – Tractoare şi maşini agricole. Ed. Didactică şi Pedagogică.

Bucureşti. 1981

32. Tănăsoiu T. Şi colab – Echipamente de injecţie pentru motoare cu admisie

internă. Editura Tehnică. Bucureşti. 1984

33. Tecuşan M. Şi Ionescu En. – Tractoare şi automobile. Editura Didactă şi

Pedagogică. Bucureşti.1982

34. Ţopa I. – Automatizarea acţionărilor electrice. Litografia Universităţii

Bucureşti. 1982

35. Untaru M. – Dinamica autovehiculelor pe roţi. Editura Didactică şi

Pedagogică. Bucureşti .1981.

36. *** Colecţia revistelor de specialitate

- Agrartechnik

- Kraftverkchr

- Tractorâ I selkoymaşini

- Tehnika v sekohoziaistva

- Automobile Engineer

177

Date post:	04-Sep-2019
Category:	Documents
Upload:	others
View:	15 times
Download:	0 times

MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ · 3 prof. univ. dr. ing. sĂrĂcin ion...

Documents