Facultatea de mecanica Si tehnologie Pitesti

Proiect la Fabricarea si repararea automobilelor

Student: Manea Bogdan

ARCURIDEFINIRE, CLASIFICARE, DOMENII DE FOLOSIREArcurile sunt organe de maini care realizeaz o legtur elastic ntre anumite piese sau subansamble ale unei maini. Prin forma lor i prin caracteristicile mecanice deosebite ale materialelor din care se confecioneaz, arcurile au capacitatea de a se deforma sub aciunea unei fore exterioare, prelund lucrul mecanic al acesteia i nmagazinndu-l sub form de energie de deformaie. La dispariia sarcinii exterioare, energia nmagazinat este restituit sistemului mecanic din care face parte arcul. Clasificarea arcurilor se face dup o serie de criterii, prezentate n continuare. Dup forma constructiv, se deosebesc: arcuri elicoidale, arcuri bar de torsiune, arcuri spirale plane, arcuri n foi, arcuri inelare, arcuri disc i arcuri bloc. Dup modul de acionare a sarcinii exterioare, clasificarea se face n: arcuri de compresiune, arcuri de traciune, arcuri de torsiune i arcuri de ncovoiere. Dup solicitarea principal a materialului, se deosebesc arcuri solicitate la torsiune, la ncovoiere i la traciune-compresiune. Dup natura materialului din care este executat arcul, se deosebesc arcuri metalice i arcuri nemetalice. Dup variaia rigiditii, arcurile pot fi cu rigiditate constant sau cu rigiditate variabil (progresiv sau regresiv). Dup forma seciunii arcului, se deosebesc arcuri cu seciune circular, inelar, dreptunghiular, profilat sau compus. Domeniile de folosire ale arcurilor sunt variate, cele mai importante fiind: amortizarea ocurilor i vibraiilor (la suspensiile autovehiculelor, cuplaje elastice, fundaia utilajelor etc.);

acumularea de energie (la ceasuri cu arc, arcurile supapelor etc.), care apoi poate fi restituit treptat sau brusc; exercitarea unei fore permanente, elastice (la cuplajele de siguran prin friciune, ambreiaje prin friciune etc.); reglarea sau limitarea forelor (la prese, robinete de reglare etc.); msurarea forelor i momentelor, prin utilizarea dependenei dintre sarcina exterioar i deformaia arcului (la cntare, chei dinamometrice, standuri de ncercare etc.); modificarea frecvenei proprii a unor sisteme mecanice.

MATERIALE I TEHNOLOGIEMaterialele utilizate n construcia arcurilor se aleg astfel nct s ndeplineasc o serie de condiii generale, cum sunt: rezisten ridicat la rupere, limit ridicat de elasticitate, rezisten mare la oboseal (uneori i rezisten la temperaturi nalte, rezisten la coroziune, lipsa proprietilor magnetice, dilataie termic redus, comportare elastic independent de temperatur etc.). Materialele feroase dedicate construciei arcurilor sunt oelurile. Acestea pot fi oeluri carbon de calitate (OLC 55A, OLC 65A, OLC 75A, OLC 85A) sau oeluri aliate (cu Si, pentru rezisten i tenacitate; cu Mn sau Cr, pentru clibilitate i rezisten la rupere; cu V, pentru rezisten la oboseal; cu Ni, pentru termorezisten). Oelurilor pentru arcuri li se aplic un tratament termic de clire i revenire medie, obinndu-se n acest mod o elasticitate mrit n toat masa materialului. Mrcile de oeluri pentru arcuri sunt standardizate. Materialele neferoase se folosesc, de regul, la arcuri care lucreaz n cmpuri electrostatice, pentru care se dorete lipsa proprietilor magnetice. Cele mai utilizate materiale neferoase pentru arcuri sunt alama i bronzul, dar i anumite aliaje speciale (Monel, Inconel etc.). Materialele nemetalice utilizate la arcuri sunt cauciucul, pluta etc. Tehnologia de obinere a arcurilor depinde, cu precdere, de forma constructiv a acestora. Semifabricatele pentru arcuri elicoidale se prezint sub form de srme, bare, benzi etc.. Forma elicoidal se obine prin nfurare la rece (la arcuri cu seciune mic) sau prin nfurare la cald (la arcuri cu seciune mai mare). Tratamentul termic se efectueaz, n general, dup nfurare. La arcuri nfurate la rece, puin solicitate, tratamentul termic se poate face nainte de nfurare, urmnd ca dup nfurare s se efectueze doar operaii de revenire. Calitatea suprafeei arcurilor este determinant pentru rezistena acestora la oboseal. n scopul creterii durabilitii arcurilor supuse la solicitri variabile, msurile care se iau sunt: rectificarea suprafeei arcului (dup tratamentul termic), durificarea stratului superficial (dac nu este posibil rectificarea), acoperirea suprafeei (pentru protecie mpotriva coroziunii), evitarea decarburrii suprafeelor n timpul tratamentului termic etc.

CARACTERISTICA ELASTICCaracteristica elastic a unui arc reprezint dependena dintre sarcina exterioar ( for sau moment de torsiune) care acioneaz asupra sa i deformaia elastic (sgeat sau rotire)

pe direcia sarcinii. n funcie de tipul sarcinii exterioare, caracteristica elastic se poate exprima prin una din expresiile F = F() sau Mt = Mt(), n care reprezint deformaia liniar a arcului pe direcia forei F (sgeata), iar deformaia unghiular a arcului pe direcia momentului de torsiune Mt (rotirea). n fig. 5.1 sunt prezentate cele dou tipuri de caracteristici elastice liniare corespunztoare celor dou tipuri de sarcini exterioare. Panta caracteristicii elastice a arcului indic rigiditatea c a arcului, care se detrmin cu una din relaiile (v. fig. 5.1): F M c = tg = ; c = tg = t . Caracteristica elastic liniar este ntlnit doar la arcuri care lucreaz fr frecare, executate din materiale care respect legea lui Hooke. Aceste arcuri sunt caracterizate de rigiditate constant c = const. O alt mrime care caracterizeaz funcionarea unui arc este energia de deformaie acumulat, egal, n absena frecrilor, cu lucrul mecanic al forei care a provocat deformaia. n fig. 5.1, suprafeele haurate reprezint lucrul mecanic de deformaie al arcului ncrcat cu fora F3 (v. fig. 5.1,a), respectiv cu momentul de torsiune Mt3 (v. fig.5.1,b). Expresiile lucrului mecanic de deformaie sunt: 1 1 2 L = t c . M = 1 1 2 L = crespectiv F = , 2 2 2 2

Fig. 5.1 Dei arcurile cu caracteristic elastic liniar (rigiditate constant) sunt cele mai ntlnite, n practic se utilizeaz i arcuri cu rigiditate variabil, la care caracteristica elastic este neliniar (fig. 5.2). Rigiditatea acestor arcuri se exprim prin una din relaiile:c = tg = F const . ;

c = tg =

M t const .

Fig. 5.2 Fig. 5.3 Caracteristicile cu rigiditate progresiv au panta cresctoare, iar caracteristicile cu rigiditate regresiv au panta descresctoare. Lucrul mecanic de deformaie al arcurilor cu caracteristica elastic neliniar se exprim sub una din formele (v. fig. 5.2):L = F d 0 n

;

L = M t d .0

n

Caracteristica elastic la descrcare se suprapune exact peste caracteristica elastic de la ncrcare doar dac nu exist frecri ntre elementele componente. Dac arcurile sunt realizate din mai multe elemente suprapuse (arcuri n foi, arcuri inelare, arcuri disc) sau dac arcul este realizat dintr-un material cu frecri interne considerabile (arcuri din cauciuc), caracteristica elastic (fig. 5.3) prezint o diferen ntre ncrcare i descrcare (aa-numitul histerezis). Lucrul mecanic absorbit de arc n timpul ncrcrii (suprafaa de sub caracteristica de ncrcare) este diferit de lucrul mecanic cedat de arc n timpul descrcrii (suprafaa de sub caracteristica de descrcare). Diferena dintre aceste lucruri mecanice o reprezint lucrul mecanic consumat prin frecare (supraa nchis de bucla histerezisului), care se transform n cldur i nclzete arcul. Datorit acestui fenomen, arcurile care prezint o caracteristic elastic cu histerezis au capacitate mai mare de amortizare a ocurilor i vibraiilor.

ARCURI ELICOIDALEArcurile elicoidale se obin din srme sau bare de diverse profile, nfurate pe o suprafa directoare. Arcurile elicoidale se clasific dup o serie de criterii, prezentate n continuare. Dup forma seciunii spirei, arcurile elicoidale pot fi cu seciune rotund, cu seciune ptrat sau dreptunghiular, cu seciune profilat; Dup forma suprafeei directoare, arcurile elicoidale se mpart n arcuri cilindrice, arcuri conice, arcuri dublu conice, paraboloidale, hiperboloidale, prismatice etc. Dup modul de acionare a sarcinii, se deosebesc arcuri elicoidale de compresiune, de traciune i de torsiune. Standardele reglementeaz, pentru arcuri elicoidale, clasificarea, terminologia i reprezentarea n desenul tehnic.

Arcuri elicoidale cilindrice de compresiune

n fig. 5.4 sunt prezentate cteva soluii de arcuri elicoidale de compresiune, iar n fig. 5.5 sunt prezentate elementele geometrice ale arcurilor cilindrice elicoidale de compresiune cu seciunea spirei rotund (fig. 5.5, a) i dreptunghiular (fig. 5.5, b).

Fig. 5.4

b c Fig. 5.5 Terminologia utilizat pentru arcurile elicoidale cilindrice de compresiune cu seciunea spirei rotund (aplicabil i la seciune dreptunghiular a spirei) este: d - diametrul spirei; Di - diametrul interior de nfurare; Dm - diametrul mediu de nfurare; D - diametrul exterior de nfurare; t - pasul spirei; H0 - lungimea arcului n stare liber; 0 - unghiul de nclinare al spirei n stare liber. Suprafeele de aezare ale arcurilor elicoidale de compresiune se prelucreaz plan, perpendicular pe axa arcului. Spirele de capt, prelucrate astfel, nu se deformeaz elastic. Numrul total de spire, nt , ale unui arc elicoidal de compresiune se determin cu relaia nt = n + nr , n care n reprezint numrul de spire active (care particip la deformaia elastic a arcului), iar nr este numrul de spire de reazem (de capt), reglementat n standarde n funcie de numrul de spire active: nr = 1,5, dac n 7; nr = 1,5...3,5, dac n > 7. Calculul de rezisten al arcului elicoidal cilindric de compresiune

a

Schema de calcul a arcului elicoidal cilindric de compresiune cu seciunea spirei rotund este prezentat n fig. 5.6. Fora F, care acioneaz n axa arcului, se descompune n dou componente:

b a Fig. 5.6

Fcos - perpendicular pe planul spirei - determin solicitrile de torsiune (dat de

momentul de torsiune M t = ( F cos ) Dm 2 ) i de forfecare (dat de fora tietoare T =

Fcos ); Fsin - aflat n planul spirei - determin solicitrile de ncovoiere (dat de momentul de ncovoiere M i = ( F sin ) Dm 2 ) i de compresiune (dat de fora normal N=Fcos ). Deoarece unghiul de nclinare a spirei are valori mici ( = 69 o), deci cos 1 i sin 0, iar tensiunea de forfecare este neglijabil, n calcule se consider doar solicitarea de torsiune, cu momentul M t = F Dm 2 . Tensiunea de torsiune care apare n spira arcului considerat de forma unei bare drepte este D F m M 2 = 8FDm . t = t = Wp d 3 d3 16 D Notnd cu i = m indicele arcului, relaia tensiunii de torsiune poate fi scris sub forma dt = 8Fi d 2 .

Deoarece distribuia tensiunii de torsiune nu este uniform pe circumferina spirei, avnd valori mai mari pe partea de la interiorul curburii (fig. 5.6, b), verificarea arcului la solicitarea de torsiune se efectueaz cu una din relaiile 8FDm 8Fi t max = k t = k at i t max = k t = k 2 at , 3 d d n care k reprezint coeficientul de form al arcului, dependent de indicele i al arcului i se poate determina cu relaia

k =1+

16 , . id= 8kFi . at

Pentru dimensionarea spirei arcului rezult:d=3 8kFDm at

sau

Rezistenele admisibile la torsiune at se aleg [] n funcie de materialul arcului, tratamentul termic aplicat, caracterul sarcinii (static sau oscilant), condiiile de funcionare, importana arcului n cadrul ansamblului din care face parte, lund valori n intervalul at = 500800 MPa. Calculul la deformaii al arcului elicoidal cilindric de compresiune Calculul la deformaii (denumit i calcul de rigiditate) este un calcul specific arcurilor i const in determinarea deformaiei arcului corespunztoare unei anumite ncrcri. Deformaia arcului elicoidal cilindric de compresiune (sgeata) este reprezentat de deplasarea punctului de aplicaie al forei care l ncarc, pe direcia acesteia. Prin desfurarea spirei arcului sub forma unei bare (fig. 5.7)

a Fig. 5.7 de lungime l = Dmn, deformaia este dat de lungimea arcului de cerc de-a lungul cruia se deplaseaz fora F. Rsucirea total a spirei arcului esteDm 2 nDm 16 nFDm 2 = , d4 Gd 4 G 32 iar deformaia arcului este M l = t = GI p F3 Dm 8FnDm 8 Fni 3 = , sau = , Gd 2 Gd 4 unde: n reprezint numrul de spire active, G modulul de elasticitate transversal i Ip momentul de inerie polar al seciunii spirei arcului. Relaia de determinare a sgeii demonstreaz rolul determinant al indicelui arcului asupra elasticitii acestuia. Arcurile cu indice mare sunt elastice (uor deformabile), iar cele cu indice mic sunt rigide.

=

Caracteristica elastic

n fig. 5.8 este prezentat caracteristica elastic a unui arc elicoidal cilindric de compresiune. Notaiile folosite n definirea acesteia sunt: H 0 lungimea arcului n stare liber; F1 sarcina iniial, de precomprimare (de montaj); 1, H1 sgeata, respectiv lungimea arcului montat, pretensionat cu fora F1; Fmax sarcina maxim de funcionare; max, Hmax sgeata, respectiv lungimea arcului sub aciunea forei Fmax; h cursa de lucru a arcului; Fb sarcina limit de blocare a arcului; b, Hb sgeata, respectiv lungimea Fig. 5.8 arcului blocat (comprimat spir pe spir). Datorit neuniformitii pasului spirelor, la ncrcare, unele spire intr n contact mai repede dect altele i, n consecin, poriunea final a caracteristicii devine progresiv. Pentru evitarea funcionrii pe aceast poriune neliniar a caracteristicii se recomand limitarea sarcinii maxime de funcionare Fmax (0,80,9) Fb. Algoritm de proiectare Dimensionarea unui arc elicoidal cilindric de compresiune se efectueaz att prin adoptarea unor parametri geometrici i funcionali ai acestuia, din considerente tehnologice i funcionale, ct i n urma calculelor de rezisten i la deformaii. Datele de intrare generale sunt: forma seciunii spirei, sarcina maxim care ncarc arcul, sgeata maxim sau numrul de spire active sau rigiditatea impus i condiiile de funcionare. Etapele de proiectare ale unui arc elicoidal cilindric de compresiune sunt prezentate n continuare. 1. Se alege materialul arcului n funcie de condiiile de funcionare i se stabilete rezistena admisibil la torsiune. 2. Se efectueaz calculul de rezisten, n urma cruia se determin diametrul d al spirei, care trebuie s corespund unei srme standardizate. 3. Se efectueaz calculul la deformaii alegndu-se sau adoptndu-se numrul de spire active astfel nct arcul s asigure condiiile de rigiditate i de gabarit impuse. 4. Se stabilesc dimensiunile geometrice ale arcului i parametrii corespunztori caracteristicii elastice. 5. Se ntocmete desenul de execuie, n conformitate cu rezultatele etapelor anterioare i cu prescripiile cuprinse n standarde.

a

b

Fig. 5.11 c d

e Fig. 5.9

f

Arcuri elicoidale cilindrice de traciuneArcul elicoidal de traciune preia o sarcin axial care tinde s l ntind. Sarcina se aplic prin intermediul unor ochiuri de prindere, de forma unor crlige realizate prin deformarea spirelor de capt ale arcului (fig. 5.9, a, b, c i d) sau prin intermediul unor piese separate (fig. 5.9, e i f).

Arcuri elicoidale cilindrice de torsiuneArcurile elicoidale cilindrice de torsiune preiau un moment de torsiune aplicat pe direcia axei arcului. Forma acestor arcuri este asemntoare cu a arcurilor elicoidale cilindrice de compresiune, diferena fiind dat de construcia spirelor de capt, ndoite astfel nct s permit fixarea la un capt i aplicarea momentului de torsiune la cellalt capt.

Tehnologia de obtinere a arcuri elicoidale de compresiune i tractiune

Arcul elicoidal de compresiune este probabil mult mai mult utilizat, ca numr de buci, dect oricare din celelalte tipuri constmctive. Tehnologia de execuie relativ simpl i eficiena ridicat a stocrii energiei fac din acesta o component inginereasc remarcabil. El este folosit n mecanisme de multe ori mai mici dect jucariile i n echipamente gigantice cum ar fi morile de mcinare i autovehiculele de transport marf de 100 tone. n figura 9.6 se arat forma unui arc de compresiune i terminologia utilizat n proiectarea sa.

Figura 9. 6 Arc elicoidal de compresiune. Exist dou modalitti principale de obtinere a acestor arcuri: a) Srma cu proprietti mecanice corespunztoare este nfurat ntr-un arc finit (uneori la cald); b) Srma moale de compoziie i clibilitate potrivit este nfurat ntr-un arc (uneori la cald); ulterior arcul este clit, revenit i procesat ntr-o pies finit. Arcurile de cea mai bun calitate sunt fabricate din srm pretratat termic; totui aceast practic este limitat la srme cu diametre cuprinse ntre 6 i 16 mm. Arcurile realizate din srme cu diametrul mai mare vor trebui nfurate nainte de efectuarea tratamentului termic. Ca i n cazul arcurilor foi, selecia materialului i a procedeelor de prelucrare va avea n vedere: a) nivelul tensiunilor; b) numrul minim de cicluri de ncarcare impus; c) temperatura de serviciu; d) mediul de lucru. Atunci cnd arcul elicoidal este comprimat srma este supus n principal unor tensiuni de torsiune. Formule similare se folosesc i pentru arcurile de traciune cu particularitatea c va trebui luat n considerare valoarea tensiunii iniiale. De asemenea, n arcurile de ntindere concentrarea tensiunii n crligele de agare poate fi factorul de proiectare limit. Din relaiile 7.1 i 7.2 se deduce c cel mai eficient mijloc de reducere a tensiunilor este creterea dimensiunii srmei. _______Srm rotund___________Srm rectangular sau ptrat

=

8* F * D * Kw d3

=

F *D K2 *b *t 2

Figura 9. 7 Constante ale tensiunii pentm arcuri cu seciune transversal rectangular. b - limea (latura lung); t - grosimea (latura scurt). Tabelul 9.2 Valorile factorului Wahl, Kw, de corectie a tensiunii.c' 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 0,0 2,058 1,580 1,404 1,311 1,253 1,213 1,184 1,162 1,145 1,131 1,119 1,110 1,102 1,095 1,088 1,083 1,078 0,1 1,975 1,556 1,392 1,304 1,248 1,210 1,182 1,160 1,143 1,130 1,118 1,109 1,101 1,094 1,088 1,083 1,078 0,2 1,905 1,533 1,381 1.297 1,243 1,206 1,179 1,158 1,142 1,128 1,117 1,108 1,100 1,093 1,087 1,082 1,077 0,3 1,844 1,512 1,370 1,290 1,239 1,203 1,177 1,156 1,140 1,127 1,116 1,107 1,099 1,093 1,087 1,082 1,077 0,4 1,792 1,493 1,360 1,284 1,235 1,200 1,175 1,155 1,139 1,126 1,115 1,106 1,099 1,092 1,086 1,081 1,077 C=D/d 0,5 1,746 1,476 1,351 1,278 1,231 1,197 1,172 1,153 1,138 1,125 1,114 1,106 1,098 1,091 1,085 1,081 1,076 0,6 1,705 1,459 1,342 1,273 1,227 1,195 1,170 1,151 1,136 1,124 1,113 1,105 1,097 1,091 1,085 1,080 1,076 0,7 1,669 1,444 1,334 1,267 1,223 1,192 1,168 1,150 1,135 1,123 1,113 1,104 1,097 1,090 1,084 1,080 1,075 0,8 1,636 1,430 1,325 1,262 1,220 1,189 1,166 1,148 1,133 1,122 1,112 1,103 1,096 1,090 1,084 1,079 1,075 0,9 1,607 1,416 1,318 1,257 ,216 ,187 ,164 ,146 ,132 ,120 ,111 ,102 ,095 1 ,089 1 ,084 ,079 1 ,074

Oeluri pentru arcuri elicoidale Mrcile romneti de oeluri carbon i slab aliate pentru arcuri sunt standardizate. Srmele sunt realizate din bare laminate la cald care vor fi prelucrate prin tragere la rece n vederea obinerii dimensiunilor impuse, a finisrii suprafetei i a unor bune proprietti mecanice. Prin modificarea compozitiei chimice, a gradului de reducere a sectiunii n urma deformrii la rece i a altor parametri de proces, inclusiv de tratament termic, se pot obine propriettile mecanice impuse de proiectare. Srme pentru arcuri din oel carbon tras. Aceste srme se execut din oteluri calmate cu siliciu care au un coninut n carbon cuprins ntre 0,45 i 0,75%. Propriettile lor sunt dezvoltate prin tragere la rece dup patentare prin laminare la cald. Patentarea poate fi numit i austempering la temperaturi ridicate deoarece transfonnarea austenitei deformate are loc la temperaturi cuprinse ntre 450 i 550C, care sunt mai mari dect cele utilizate obinuit la tratamentul austempering. Aceeai microstructur bainitic poate fi obinut n barele laminate la cald printr-o combinare corespunztoare a compoziiei chimice i vitezei de rcire. Operaia de tragere la rece mrete caracteristicile de rezisten mecanic far o diminuare semnificativ a celor de ductilitate i tenacitate. Tenacitatea bainitei deformate la rece face ca aceste srme s permit grade mai mari de deformare la rece comparativ cu srmele revenite n ulei. Din cauza particularitilor pe care le are transformarea izoterm, grosimea maxim a srmei este limitat, n general, la 12mm. Aceste arcuri au aplicaii n care apar ncrcri statice la tensiuni sczute i cu o frecven redus a ciclurilor de solicitare. Rezistena minim la tractiune a srmelor executate din diferite materiale este artat n figura 9.8.

-58-

Diametrul srmei mm

Figura 9. 8 Dependena rezistenei minime la traciune de diametrul srmei. Pentru a se evita aezarea arcurilor n timpul ncrcrilor statice, tensiunile maxime de proiectare nu ar trebui s depeasc limita elastic de torsiune (figura 9.9). Srme pentru arcuri ale instrumentelor muzicale. Aceast categorie definete cea mai nalt calitate de srme de arc din oel tras tare. Oelurile selectate trebuie s aib un grad maxim de puritate, iar defectele de laminare trebuie s fie absente. Ele sunt patentate de cteva ori ntre operaiile de tragere efectuate pentru reduccrea seciunii. Viteza de tragere este mai mic dect n cazul srmelor din oeluri carbon trase tare pentru a preveni ridicarea temperaturii. Srma pentru instrumente muzicale este destinat execuiei arcurilor putemic solicitate, care implic ncrcri dinamice n care rezistena la oboseal constituie principala cerin inginereasc. Srme pentru arcuri din oelurl carbon revenite n ulei. Propriettile mecanice ale acestei clase de srme sunt dezvoltate prm aplicarea unui tratament termic de clire n ulei, urmat de o revenire medie. Operaia de revenire se execut prin trecerea srmei finisate printr-o baie de plumb topit a crei temperatur se stabilete n funcie de proprietile mecanice impuse. Microstructura troostitic de revenire asigur o rezistent mai mare la relaxare sub sarcini ciclice comparativ cu cazul srmelor trase tare. Intruct duritatea este determinat n mai mare msur de temperatura de revenire dect de deformarea la rece (cum este cazul srmelor trase), rezistenta la tractiune poate fi controlat mai ndeaproape, permitnd astfel o nfaurare mult mai precis. n schimb, microstructura obtinut n urma revenirii n ulei face ca srmele s fie mai sensibile la fragilizare prin placare dect n cazul cnd acestea sunt realizate prin tragere. Srme pentru arcuri de supape din oeluri carbon revenite n ulei. Aceste srme se folosesc la execuia arcurilor de supape ale motoarelor cu ardere intern. Pentru asigurarea unei durate maxime de via la oboseal, oelurile folosite trebuie s aib o puritate nalt i s nu contin defecte de suprafat. Din motive de relaxare a tensimulor, arcurile pentru supape sunt revenite n ulei, neadmitndu-se decarburarea suprafeei. De asemenea, suprafata srmei nu trebuie s conin fisuri, zgrieturi, ciupituri, sau alte defecte care ar reduce durata de via la oboseal a arcului. Srme pentru arcuri din oeluri aliate. Comparativ cu otelurile carbon, cele aliate ofer urmtoarele avantaje: a) Rezisten la relaxare la temperaturi de pn la 250C; b) Rezisten mai mare la traciune; c) Limite elastice la torsiune mai mari.

-59Pentru obinerea unei durate maxime de via la oboseal (peste 108 cicluri) se recomand folosirea mrcilor corespunztoare arcurilor de supap revenite n ulei. Oeluri inoxidabile. Din aceast categorie de oeluri se execut arcurile care lucreaz n medii corozive i/sau la temperaturi ridicate. Rezistena la coroziune a acestor arcuri este superioar celei a arcurilor din oeluri carbon sau aliate care au fost acoperite galvanic. In plus, srmele de diametru mic, pn la 0,5mm, executate din oeluri inoxidabUe sunt uneori mai ieftine dect cele placate din oeluri carbon revenite n ulei sau trase tare. Oelurile inoxidabile austenitice prezint o rezisten excelent la coroziune i o rezisten mare la relaxare termic pn la 250C. Oelul inoxidabil austenito-martensitic cu 17%C i 7%Ni, n urma operatiei de nfurare este durificat prin mbtrnire la 480C timp de 1h; el confer o rezisten la coroziune egal cu cea a oelului austenitic i n plus, are o rezisten la relaxare pn la 300C. Arcuri elicoidale mari, nfurate la cald Majoritatea arcurilor elicoidale care au un diametru mediu al spirei de peste 50 mm i un diametru al srmei mai mare de 9mm se realizeaz prin nclzirea srmei la 850...900C, urmat de o nfaurare la cald. Asemenea arcuri de compresiune sunt utilizate la suspensiile vagoanelor de cale ferat. Ele suport ncrcri statice substaniale i de obicei sunt comprimate pn la nltimea de blocare (figura 7.6) printr-o solicitare dinamic. Viteza de solicitare q se definete astfel: 8* D * Kz G*d 4 q=s n care s este viteza de ncrcare s = , iar D=De d, diametrul 8 * n * D3 *d3 mediu n mm; d diametrul barei, mm; K factorul de corecie al curburii calculat cu relaia:K = 4 * c 1 0,615 + unde c=D/d, indexul arcului 4*c 4 c

G modulul de elasticitate transversal; la oeluri G este de cca. 79.000 N/mm2; z este factorul de corecie pentru excentricitate:z = 1+ 0,5 0,16 2 + + 2 n/ d (n / d) (n / d)3

h - nlimea de blocare; n - numrul de nfurri active: n = h/d 1,2 Limitele tipice sugerate pentru proportii sunt: - diametrul exterior: de 4 pn la 8 ori diametrul barei; - nltimea feei: de 1 pn la 4 ori diametrul exterior; - nlimea minim: de 5 ori diametrul barei. naintea nclzirii pentru nfurare se va da o form potrivit capetelor prin forjare la cald. Urmeaz operatia de nfaurare la cald dup care se recomand executarea clirii directe n nlei; ali productori de asemenea arcuri procedeaz la o rcire lent pn la temperatura ambiant, apoi arcurile sunt renclzite n vederea clirii.

-60-

Figura 9. 10 Dispozitiv de clire a arcurilor elicoidale: 1-baie de clire; 2-serpentin de rcire; 3-dispozitiv de susinere a arcurilor; 4-tij cilindric; 5-arc; 6-co penlru colectarea reziduurilor, 7-camer pentru curirea arcurilor cu aer comprimat; 8-bazin de spalare. Pentru prevenirea deformaiilor de tratament se folosesc dispozitive de clire de tipul celui prezentat n figura 9.10. Clasele de oeluri utilizate pentru arcurile nfurate la cald depind de: > tensiunea de proiectare; > dimensiunea seciunii;ncrcarea Dinamic, moderat de sever' Dinamic sever* Presiune constant Oel carbon, N/mm2 965 690 1170 Oel aliat, N/mm2 1030 825 1240

Tensiunile statice ar trebui s nu depeasc 65% din tensiunea de proiectare. Dac arcurile nu sunt prefixate, tensiunile maxime de proiectare trebuie s fie mai mici cu 20%. Cheia seleciei acestor oeluri const n utilizarea unei compoziii chimice cu un coninut nominal n carbon de cel puin 0,60% i cu o clibilitate care s permit obinerea unei duriti minime de 50HRC n centrul barei clite n mediul ales. Una dintre recomandrile de selecie este: Oeluri aliate - pentru ncrcri dinamice severe Oel carbon OLC85A pentru 51Sil7A - pn la diametre de 35mm; ncrcri dinamice moderat 51VCrl 1A - pentru diametre cuprinse ntre 35 i 70mm; de severe i un diametru de 60Sil5A - pentru diametre cuprinse ntre 70 i lOOmm. pn la 25mm; Microstructura obinut n urma tratamentului termic de clire trebuie s nu conin ferit proeutectoid (care are o rezisten la oboseal de numai 69-lOON/mm2) pe cel puin o treime din distana de la suprafa pn la centru. 9.11 Calitatea oelurilor pentru arcuri Gradul de puritate ct mai ridicat al oelurilor pentru arcun constrtuie o cerin de prim ordin. Este bine cunoscut efectul defavorabil al incluziunilor nemetalice asupra duratei de via la oboseal. Dm aceste considerente este justificat utilizarea unor oeluri de calitatea celor obinute n cuptoare electrice (dezoxidate cu carbon, degazate n vid), destinate pentru rulmeni sau pentru aviaie, iar n cazuri extreme chiar a celor retopite sub arc electric n vid. Sulful este o msur direct a puritii oelului i de aceea este preferat ca coninutul n acest element s fie mai mic de 0,025% (ideal, sub 0,01%). De asemenea, din cauza efectului su fragilizant, coninutul n fosfor al oelurilor pentru arcuri revenite nu trebuie s depeasc 0,025% (ideal, sub 0,010%). Incluziunile de aluminiu sunt probabil cele mai duntoare deoarece sunt dure i pot avea dimensiuni mari. n consecin, oelul va trebui s aib un coninut minim n aluminiu. nainte de fabricarea arcului, productorul de maini i utilaje va verifica gradul de puritate i calitatea suprafeei oelului.

-61Procesarea arcurilor elicoidale n urma nfurrii prezint o importan aproapt similar cu cea a calitii motenite a otelului. Pentru reducerea relaxrii n timpa serviciului i creterea duratei de via la oboseal, se recomand urmtoarele: 1. Diminuarea tensiunilor dup nfurarea srmei trase sau revenite n ulei 2. Aezarea la cald. 3. Sablarea cu alice. Prin nfaurarea n arcuri elicoidale a srmelor trase sau revenite n ulei, se produce o tensionare a otelului peste limita de curgere. Efectul nfaurrii asupra tensiunilor reziduale este diferit pe diametrul interior respectiv exterior al arcului, n sensul c i cel dinti tensiunile reziduale de ntindere sunt plasate pe suprafaa sarmei. Acest fapt conduce la diminuarea rezistenei la relaxare i la oboseal a arcului. n consecin, arcurile executate din acest tip de srme necesit o recoacere pentru detensionare n urma nfurrii. Temperatura de nclzire ar trebui s fie ct mai ridicat posibil fr a provoca o scdere a rezistenei srmei. De aceea, arcurile din srm de oel carbon tras i srmele pentru instrumente muzicale sunt de regul detensionate la temperaturi de 200-250C; arcurile din srm revenit n ulei, cu excepia mrcilor de oeluri aliate cu Cr-Si ar trebui detensionate la 300-350C, iar cele realizate din oeluri Cr-Si, la 350-400C. La fel ca la arcurile foi, arcurile elicoidale tensionate peste limita de curgere n directia sarcinilor de lucru vor poseda pe suprafata activ tensiuni reziduale de compresiune n momentul ndeprtrii sarcinii. Evident c aceste tensiuni mresc durata de via la oboseal de lung durat. Desigur, arcul va trebui s fie nfurat pe o lungime mai mare dect cea dorit pentru arcul final astfel nct dup aezare piesa s aib o lungime corect. Practica preaezrii la rece a arcurilor puternic tensionate cu indexuri ntre 5 i 10 are ca scop prefixarea la o nlime sau la o ncrcare la care se produce o tensiune corectat de 1100 N/mm2. Aezarea la cald este utilizat pentm creterea rezistenei la relaxare la temperaturi ridicate de exploatare. n cursnl acestui proces arcurile sunt ncrcate i fixate n timp ce sunt nclzite la o temperatur peste cea anticipat de exploatare i apoi rcite nainte de a fi desfcute. Tendina de relaxare sub sarcin la temperaturi ridicate nu numai c va fi minimizat, dar se vor induce i tensiuni de compresiune n fibrele exterioare ale srmei care vor prelungi durata de via la oboseal. Cu toate acestea, tensiunile de compresiune aprute nu sunt aa de ridicate ca n cazul aezrii la rece. Un procedeu mai putin eficient este presarea la cald, prin care arcul va fi nclzit n poziie liber la o temperatur superioar celei anticipat pentru serviciu i n timp ce este cald se comprim la o nlime sub cea de lucru sau instalat, nainte de eliberarea ncrcrii. Efectele favorabile ale sablrii cu alice asupra rezistentei la oboseal de lung durat a arcurilor elicoidale sunt similare cu cele descrise la arcurile foi i la alte piese. mbuntirile obinute n privina rezistenei la oboseal sunt de obicei de ordinul 4 la 1. Pentru a fi eficient, sablarea trebuie s ating diametrul interior al spirei. Ca la once proces de inducere a tensiunilor reziduale de compresiune, ea este eficace numai dac tensiunile de lucru sunt cu mult sub limita de curgere (cu excepia cazului n care sunt folosite pentru ndeprtarea stratului decarburat i optimizarea finisrii suprafeei). Pe msur ce tensiunile de lucru se apropie de limita de curgere, se va declana curgerea localizat i n acest mod o detensionare care va nltura efectele benefice ale tratamentului termic de sablare. Totodat, efectele favorabile ale sablrii ncep s se diminueze la o temperatur de exploatare a arcului de 250C i dispar complet la peste 400C. Arcurile elicoidale care lucreaz m condiii de ncrcare dinamic extrem, ca de exemplu arcurile de supape ale motoarelor cu combustie mtem sau ale mecaiiismelor Diesel de injecie a combustibilului trebuie s fie proiectate cu grij. Suplimentar fa de tensiunile simple statice i dinamice trebuie luai n considerare i ali factori ca de exemplu condiiile de mediu, coordonarea timpului de reacie (ridicare) cu cel de compresie, analiza armonicii i tratamentele de suprafa. 9.12 Protecia suprafeei

-62Protectia suprafeei unui arc elicoidal depinde de ase factori: a) Severitatea coroziunii mediului n care lucreaz. b) Gradul de protecie coroziv impus pentru asigurarea duratei de viat a arcului. c) Efectul acoperirii asupra proprietilor mecanice ale arcului (cum ar fi efectul fragilizrii prin hidrogen n urma placrii) d) Costul aplicrii unei tehnici de acoperire e) Efectul acoperirii asupra elementelor asociate i a mediului (de exemplu cadmierea, plumbuirea i zincarea nu trebuie folosite n contact cu alimentele sau cu buturile) 0 Disponibilitatea materialelor de protecie i a echipamentelor necesare pentru implementarea tehnicii de acoperire. Tabelul 7.3 poate fi folosit ca un ghid general de selectie a tehnicilor de acoperire a suprafeelor finisate. 7.13 Controlul calitii arcurilor Efectuarea controlului calitii arcurilor elicoidale n special pentru aplicaiile cu tensiuni dinamice ridicate devine foarte important. De fiecare dat se impun verificri ale compoziiei chimice a oelurilor, gradului de puritate, a decarburrii i a rezistenei la oboseal. Productorii de arcuri de nalt calitate vor mai face examinari complete ale capabilitii de preluare a ncrcarilor. Tabelul 7.3 Protectia coroziv a arcurilorCriterii pentru deterniinarea proteciei care va fi folosit Expuse direct mtemperiilor, dar care nu realizeaz fixri strnse Expuse direct intemperulor, realizeaz fixri strnse Protecii recomandate n ordinea preferinei Acoperiri cu fosfat i vopsiri sau numai vopsiri Adncimea minirna stratului, mm 0,025-0,051 Metode de aplicare a Avantaje speciale, proteciei precauii, limile

Scufundare, pulverizare sau periere Electroplacare

Asamblrile strnse vor coji vopseaua Bun protecie coroziv, ndeprtarea fragilizrii prin hidrogen n special dup electroplacare La fel ca mai sus

Placri cu cadiniu 0,013 sau cu zinc

Nu sunt expuse direct Placari cu cadiniu 0,0038 mtemperiilor, sau zinc reahzeaz fixri strnse Nu sunt expuse direct Acoperfre cu mtemperulor, fosfat plus ulei realizeaz fixri strnse Condiii de coroziune Srm relativ uoare preacoperit pentru arcuri 0,008-0,020

Electroplacare

Scufimdare

Protecie coroziv mai slab deet acopenrea cu fosfat plus vopsea

Grosimea este variabil i depinde de dimensiune

Scufundarea la cald Aplicabil srmelor sau electroplacare pentru arcuri din toate dimensiumle, potrivit pentru condiii uoare de coroziune Soluie alcalin de oxidare, 30-60 nunla 140C Scufundare sau Bun pentru protecie pulverizare nainte de instalare i pentpJ o perioad scurt dup instalare

Condiii de coroziune Oxid negru foarte uoare Condiii de coroziune Unsoare de ulei dintre cele mai uoare sau compui antirugma

Mai puin de 0,005 Dependent de metoda de aplicare i/sau vscozitatea materialului

Dac pentru o aplicaie dat a fost selectat un otel de calitate comparabil cu cea a celor pentru arcuri de supape, se va face un control cu particule magnetice pentru detectarea fisurilor i a incluziunilor de suprafat. Cele mai obinuite cauze care provoac cedarea prematur a arcurilor elicoidale (altele dect puritatea otelului) sunt:

-632. Coroziunea, care produce ciupituri i care este de obicei nsoit de fragilizarea prin hidrogen. 1. Defectele de suprafat 3. Tratamentul tennic necorespunztor; de exemplu, cum ar fi zgrieturile, unul care are ca rezultat o granulaie grosolan crestturile, cicatricile i datorat temperaturii excesive i care dezvolt o semnele de matri. microstructur necorespunztoare (insule de ferit sau carburi mari nedizolvate i cu o dispersie neuniform). 4. Decarburarea, n special cnd se formeaz un inel far carbon de-a lungul ntregii circumferine a srmei. 9.14 Bare de torsiune 0 bar de torsiune este un mecanism n care elasticitatea torsional este utilizat pentru obinerea efectului de arc. Un capt este fixat i cellalt este rsucit aplicndu-se o sarcin prin intermediul unui bra prghie. 0 bar de torsiune este un dispozitiv simplu tip arc, al doilea ca eficien n acumularea energiei dup arcul elicoidal. Calculul tensiunii ntr-o bar de torsiune se poate face cu relaia: 16 * M = d3 n care M reprezint momentul de torsiune i d - diametrul barei. Tensiunea maxim la forfecare prin torsiune pentru o durat de via de 105 cicluri ar trebui s fie de 800N/mm2. Comparativ cu un arc elicoidal, executia unei bare de torsiune este relativ simpl. n esent, ea este un arbore drept prevzut cu cte un tift la fiecare capt. Totui, ca la orice pies care suport nivele de rezisten aa de ridicate, se impune o execuie foarte ngrijit. Cea mai critic sectiune n proiectare apare la jonciunea dintre corpul barei i tift. Este de preferat ca unghiul de la rdcina tiftului la diametrul exterior al corpului barei s nu depeasc 15. Diametrul rdcinii tiftului artrebui s fie cu cel putin d/7 mai mare dect diametrul corpului barei; de asemenea tiftul ar trebui s aib o raz complet la rdcin. Oelul selectat trebuie s aib o clibilitate adecvat pentru a asigura o microstructur lipsit de ferit i o duritate de circa 55HRC la cel puin jumtate din raza corpului barei. 0 specificaie tipic pentru duritatea ftnal este ntre 47 i 51HRC de la jumtatea razei ctre exteriorul corpului barei. 0 duritate de 45HRC este acceptat de la mijlocul razei ctre centru cu meniunea c variaia total a durittii n lungul diametrului s nu depeasc 5HRC. Pentm asigurarea unei rezistene maxime la oboseal de lung durat fr aparitia fragilitii se vor selecta oeluri cu un coninut nominal n carbon de 0,60% i avnd un grad de puritate foarte ridicat. Tehnologia de executie a barelor de torsiune contme operaiile de supranlare a capetelor piesei dintr-un semifabricat sub form de bar cu lungime potrivit, laminare i centrare, strunjire de degroare, execuia gurilor pentru tifturi, clirea i revenirea, controlul cu particule magnetice, ndreptarea la cald (la minim 300C), rectificarea, sablarea cu alice, preaezarea i acoperirea de protecie. ntruct ndreptarea este o operaie scump (i periculoas pentru operator deoarece oelul este dur i fragil) se recomand efectuarea clirii m stare presat (matri cu role) cu o agitare putemic a uleiului. Pentru obtinerea de performante superioare se recomand o sablare intens a corpului barei. 0 preaezare tipic pentru o bar de torsiune avnd lungimea de 1500mm i diametrul corpului de 35mm const din trei cicluri la 102 cu o aezare permanent la maximum 37. Cerinele testelor de oboseal asupra acestei bare de torsiune sunt 45.000 cicluri la o tensiune de forfecare prin torsiune de 140N/mm2. Dup realizarea proteciei suprafeei corpului barei urmeaz instalarea acesteia. Este important ca directia de preaezare s fie indicat pe captul barei deoarece dac accidental, aceasta este mpotriva sarcinii de lucru, probabilitatea de cedare a barei este foarte mare. 0 idee mai bun este ca proiectarea prinderilor s se fac astfel nct bara s nu poat fi instalat incorect.

-64-