Cerințe, condiții de funcționare [301909]

Rol;

Cerințe, condiții de funcționare;

Construcție;

[anonimizat];

Desene semicuzineți;

Ipoteze de calcul;

Materiale, condiții tehnice și comportarea în funcționare;

Tehnologii de fabricare.

Arborele cotit

Rol

Arborele cotit este organul motorului care preia si transmite in exterior lucrul mecanic produs de cilindri; totodata transforma miscarea de translatie a pistonului in miscare de rotatie proprie.

Arborele cotit are urmatoarele parti componente (fig.1): capatul liber 1, fusurile paliere 2, fusurile manetoane 3, bratele 4, contragreutati 5, partea posterioara 6, de care se fixeaza volantul 7.

[anonimizat] a gazelor si fortelor de inertie a maselor cu miscare de translatie si a [anonimizat]. [anonimizat], incovoiere si torsiune. In afara de acestea in arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilatiile de torsiune si de incovoiere. Ansamblul solicitarilor provoaca deformarea arborelui determinand uzura prematura a cuzinetilor sau in cazuri mai grave chiar ruperea arborelui.

Din aceste conditii grele rezulta si unele cerinte impuse fata de constructia arborelui cotit: a) rezistenta mecanica ridicata si mai ales o mare rigiditate a constructiei, de care depinde in cea mai mare masura durablitatea pieselor mecanismului motor; b) rezistenta ridicata la uzura a suprafetelor fusurilor; c) inalta precizie de fabricatie a fusurilor, ca dimensiuni si forma; d) echilibrare statica si dinamica; e) lipsa rezonantei atat la vibratii torsionale cat si la cele de incovoiere.

Constructia

Constructia si dimenisunile arborelui cotit depind de o serie de factori si anume: numarul si dispozitia cilindrilor; ordinea de aprindere; echilibrarea motorului; timpul motorului.

Lungimea totala a unui cot ( lungimea fusurilor si grosimea bratelor) [anonimizat] L0=(1,1…1,5) D.

La m.a.s., [anonimizat], sau cu fusuri paliere dupa coturi. La motoarele in V fusurile paliere se asaza dupa fiecare portiune de doi cilindri. La aceste motoare lungimea arborelui se reduce cu 30…40%. La m.a.c. fusurile paliere se asaza dupa fiecare cot la motoarele cu cilindri in linie si dupa un grup de doi cilindri la motoarele cu cilindri in V.

[anonimizat], [anonimizat].

Capatul liber. [anonimizat] 1, garnitura de etansare 2, pinionul pentru actionarea distributiei 3, fulia pentru ventilator 4, clichetul (racul) pentru pornire 5. Pentru montarea acestor organe capatul liber se executa in trepte; diametrul lui este determinat de diametrul butucului rotii conducatoare.

In unele cazuri la partea din fata se face fixarea axiala a arborelui in care scop se mai monteaza inelele 6 si 7, stranse cu saiba 8 pe palier si capacul palierului 9.

Pentru amortizarea vibratiilor de torsiune se utilizeaza amortizoare montate pe capatul din fata al arborelui unde amplitudinile vibratiilor ating valorile maxime. La motoarele pentru automobile cel mai mult sunt utilizate amortizoarele cu frecare interioara (cu cauciuc) si amortizoare cu frecare uscata ( amortizoare cu frictiune). In figura …, a este aratat amortizorul cu masa de inertie 1, vulcanizat cu elementul de cauciuc 2 de paharul de otel 3. La regimul de rezonanta lucrul mecanic al momentului excitant se pierde in deformatiile elastice ale stratului de cauciuc. Marirea efectului de amortizare in constructia din fig…, b se obtine prin lucrul mecanic suplimentar de frecare uscata, prin faptul ca masa 1 se fixeaza cu stifturile 3, de discul de frictiune 4 strans cu arcurile 5 de corpul 6. In ultima vreme se utilizeaza amortizoare cu frecare lichida (fig…, c). Spatiul intre masa 1 si corpul ermetic 3 in care se introduce cu joc bucsa de reazem 2, din bronz, se umple cu silicon, un lichid cu mare vascozitate.

Fusurile paliere. In mod obisnuit se executa toate la acelasi diametru. Adesea lungimea fusului palier mijlociu e mai mare cu 30…6-%, determinat de fortele care incarca fusul. La unele motoare in patru timpi in locul fusului palier mjlociu arborele e prevazut cuo contragreutate (fig…). In scopul maririi rigiditatii arborelui se maresc diametrele fusurilor realizand suprapunerea acestora (A, fig…).

Pentru dilatarea libera a arborelui fata de carter se practica fixarea axiala a arborelui cu borduri de fixare ale cuzinetilor (fig…) sau cu inele de fixare acoperite cu material antifrictiune (fig…si … inelele 6 si 7). In multe constructii cuzinetul de fixare se monteaza la capatul posterior al arborelui. In acest caz jocul in ambreiaj ramane neschimbat dar roata conducatoare a mecanismului de distributie se deplaseaza putin. Cand distributia este actionata cu lant este bine ca fixarea axiala a arborelui sa se refaca la palierul din fata deoarece la deplasari axiale functionarea lantului se inrautateste. La unele motoare se prefera fixarea axiala la palierul din mijloc.

Fusurile manetoane. Se executa toate la aceleasi dimensiuni, de diametru mai mic decat fusurile paliere. Pentru reducerea masei arborelui fusurile manetoane si chiar fusurile paliere adesea se gauresc, diametrul gaurii ajungand pana la 60…70% din diametrul fusului (fig…). In acest fel se obtine si o distributie mai uniforma a eforturilor ceea ce favorizeaza rezistenta la oboseala.

Bratele arborelui cotit. Constrctiv se realizeaza sub diferite forme (fig…); o utilizare mai larga o are forma d, cu sectiunea eliptica. Pentru micsorarea masei partea unghiulara a bratului G, care nu participa la transmiterea efortului, se teseste.

Pentru atenuarea efectului de concentrare a eforturilor, trecerile de la brate la fus se executa cu raze de racordare cat mai mari ρ=(0,05…0,08) d, unde d este diametrului fusului (fig…). Pentru marirea suprafetei de sprijin a fusului razele de racordare se executa sub forma unui arc cu raze variabile (fig…, b). O buna eficienta o asigura racordarea cu degajare (fig…, c), solutie adoptata su la motorul DACIA – 1300 (v.fig…).

In scopul de a usura rectificarea fusurilor, arborele e prevazut cu praguri p (fig…), cu o grosime de 0,5…1,0 mm si cu un diametru mai mare cu 8…15 mm decat diametrul fusului.

Contragreutatile pentru echilibrare sunt amplasate pe prelungirea bratelor (Cg, fig…) avand forma unui sector sau segment. Ele pot fi nedemontabile sau demontabila cand se fixeaza cu suruburi (fig…, j) si prin imbinari care nu provoaca solicitari compuse in suruburi.

Capatul din spate (fig…) se executa cu o flansa 1 pentru montarea volantului. Fixarea volantului se face cu suruburi2 care trebuie sa asigure prin strangere pe suprafata imbinarii intre flansa si volant un moment de frecare mai mare decat momentul motor. Pentru a descarca suruburile de fixare de forta tangentiala se utilizeaza uneori stifturi prizoniere. La unele motoare in partea din spate se monteaza pinionul pentru actionarea distributiei. Dificultatile constructive nu au permis insa extinderea acestui procedeu.

Etansarea capatului din spate se obtine prin combinarea inelelor deflectoare 3 cu garnituri inelare 4 din pasla sau cauciuc si prin efect de labirint creat prin portiunea filetata 5 a arborelui; filetul este practicat in sens invers sensului de rotatie a arborelui cotit.

Ungerea fusurilor arborelui cotit se asigura sub presiune. Uleiul sub presiune este trimis din conducta centrala, lagarelor paliere. De aici prin canale (v. Fig…, …, …) practicate in brate si fusurile manetoane uleiul ajunge pe suprafata fusurilor in locasul de ulei al cuzinetilor. Orificiul prin care soseste uleiul la suprafata fusului este in acea regiune in care se realizeaza pe ciclu, in medie, presiunea cea mai mica, cum se poate vedea in fig…, f. La constructiile cu fusurile tubulare uleiul se centrifugheaza, curatandu-se suplimentar de impuritatile mecanice care nu au fost retinute de filtre. Impuritatile se depun in cavitatile fusurilor de partea opusa a axei de rotatie, de aceea uleiul se capteaza din partea libera fata de zona depunerii (fig…), lucru care se asigura prim tuburi presate. Diferite moduri de realizare a etansarii capetelor fusurilor tubulare si a canalelor pentru conducerea uleiului sunt aratate in fig…. Uleiul este adus prin canalele 1 sau tuburile presate 2. Capacelele 3 sunt stranse cu suruburi. Peretii subtiri 4 se valtuiesc la capete pentru a crea in interiorul fusului spatiul liber.

Arbori cotiti demontabili. Se utilizeaza la motoare de mare viteza si putere mica (de motocicleta) sau in cazul cand este necesar sa se mareasca rigiditatea carterului (de exemplu, la motoare racite cu aer cand se folosesc cartere tip tunel). In figura … se arata constructgua unui arbore din elemente separate, turnate, asamblate cu suruburi. Bratele se realizeaza pe rulmenti cu role, ceea ce reduce lungimea lungimea arborelui si frecarea in lagare. In figura …, b se arata un element al arborelui. Arborele cotit al motorului SR-211 este aratat in figura …; se obtine din fonta prin turnare.

Materiale, condiții tehnice și comportarea in exploatare

Materiale. Fata de materialul pentru confectionarea arborelui cotit se impun urmatoarele cerinte: rezistenta la oboseala inalta, posibilitatea obtinerii unei duritati ridicate a suprafetelor fusurilor, buna prelucrabilitate, usurinta obtinerii semifabricatului. Arborele cotit se executa prin forjare sau turnare.

Semifabricatul forjat se obtine prin forjare in mai multe treceri si incalziri in matrite inchise, respectand repartizarea corespunzatoare a fibrelor materialului, evitand mai ales rasucirea lor, ceea ce mareste rezistenta la oboseala a arborelui.

Deoarece din conditii de rigiditate in general arborele este supradimensionat, drept material de constructie se utilizeaza otelurile carbon de calitate nealiate de tipul OLC 45, OLC 60. Pentru arbori mai puternic solicitati ai m.a.c. se utilizeaza si otelurile aliate cu Mn, Mo, V. Arbolrii forjati se supun tratamentului termic pentru a se obtine o duritate in limitele 200…250 HB. Duritatea fusurilor se obtine prin calirea C.I.F.; adancimea stratului calit fiind de 3…4 mm, iar duritatea HRC-52…62, ceea ce asigura o mare rezistenta la uzura.

In constructiile de motoare pentru automobile au inceput sa se utilizeze maimult arborii cotiti turnati din fonta (fig…) datorita unor avantaje importante: se micsoreaza masa arborelui cu 11…12%, se reduce costul cu 20…25%, se micsoreaza volumul de prelucrari mecanice cu 25…30%.

Dintre calitatile de fonta, cele mai bune rezultate s-au obtinut cu fonta modificata cu grafit nodular, care are o rezistenta de rupere la tractiune de 4500 daN/cm2 si duritate 212-270 HB. Se mai utilizeaza de asemenea fonta maleabila perlitica si fonta aliata.

Conditii tehnice. Principalele conditii tehnice, referitoare la executia fusurilor arborilor cotiti, sunt aratate in figura….. Abaterile de la limita impusa privind geometria fusurilor conditioneaza in gradul cel mai inalt durabilitatea cuzinetilor, uzura fusurilor si deci durabilitatea arborelui. In afara acestor conditii se mai impun cerinte privind paralelismul axelor fusurilor care nu trebuie sa depaseasca 0,02…0,03 mm, pe o lungime de 100 mm. Abaterile de la concentricitatea fusurilor si rectilinitatea axei arborelui sunt de maximum 0,025…0,035 mm. Lipsa de coaxialitate si paralelism conduce la functionarea anormala a cuzinetilor, se produc uzuri exagerate ale ansamblului cuzinet-fus, iar in cazuri mai grave, chiar ruperea arborelui cotit. Se impun tolerante stranse privind dimensiunea lineara a fusului care fixeaza axial arborele cotit. Un joc prea mare are urmari dintre cele mai nefavorabile pentru functionarea motorului: se compromite actionarea distributiei (zgomote anormale, se perturba reglajul distrbutiei cand actionarea se face prin roti dintate, iar in cazul actionarii cu lant, acesta se poate rupe sau sa sara de pe roata.); bielele, bolturile, pistoanele lucreaza anormal, pot aparea batai, intensificandu-se uzurile; deplasarea axiala a arborelui poate fi cauza unor uzuri exagerate la ambreiaj si cutia de viteze. Jocurile de fixare la lagarele axiale se limiteaza la 0,05…0,20 mm.

Calitatea suprafetelor este strans legata de asigurarea rezistentei ridicate la oboseala si de conditiile de uzura a fusurilor si cuzinetilor. Din aceste conditii se limiteaza rugozitatea la 0,4…0,8μm.

La arborii cotiti turnati trebui sa se acorde o atentie deosebita conditiilor de montaj deoarce nerespectarea acestor prescriptii pot sa conduca la deformatii de natura sa produca ruperea arborelui.

Comportarea in exploatare. In cazul functionarii normale a motorului arborele cotit se uzeaza. Se constata ca uzura fusurilor arborelui cotit depinde intr-un grad important de prezenta particulelor dure in ulei, ceea ce atrage atentia asupra calitatii filtrarii si a maririi durabilitatii suprafetelor fusurilor. Uzura fusurilor se manifesta sub diferite forme: ovalizari, conicitati, convexitati, concavitati. In afara cauzelor aratate, aceste defectiuni pot fi provocate dintr-un ajustaj gresit al liniei de arbori, de deformarea bielelor, din deformatii produse de lipsa de rigiditate a arborelui sau chiar a blocului de cilindru.

In cazul motoarelor moderne de automobile, caracterizate prin turatii inalte, uzura mai mare se inregistreaza la fusurile manetoane si anume pe partea solicitata de fortele de inertie (fig…), care au valori importante si actioneaza pe un interval de timp, in decursul unui ciclu, decat forta de presiune a gazelor.

O defectiune foarte grava o constituie ruperea arborilor cotiti. Aceasta poate fi provocata de solicitari anormale de incovoiere cauzate de lipsa coaxialitate in urma uzurii lagarelor, de rigiditatea insuficienta a arborelui sau a blocului motor. Concentratorii de tensiune reprezinta cauza ruperii la oboseala a arborilor; acestia se pot datora atat conceptiei arhitecturale a arborelui cat si conditiilor de executie si montaj. De aceea, executia ingrijita si manipularea arborilor (lipsa zgarieturilor, loviturilor etc.) constituie o conditie importanta pentru prevenirea unor accidente de functionare. In fine, un alt aspect este ruperea arborilor sub influenta oscilatiilor de torsiune, care se recunosc dupa forma rupturii, in diagonala. De aceea, prezenta amortizorului oscilatiilor de torsiune este absolut necesara acolo unde se constata anomalii de functionare datorita acestor oscilatii.

Ipoteze de calcul

Calculul arborelui cotit ca o grinda static nedeterminata necesita un mare volum de lucru si ridica o serie de probleme privind determinarea reactiunilor, in conditiile rigiditatii diferite a elementelor lui si a deformatiilor blocului si lagarelor. Mai mult, calculele au aratat ca valorile coeficientilor de siguranta obtinute in aceste conditii si in conditiile calculului simplificat difera cu 5…10%. De aceea, pentru calculul arborelui cotit se dimensioneaza in prealabil pe bazadatelor statistice ca in tabela …., dupa [15], cu noutatile din figura…, apoi se verifica din punctul de vedere al rezistentei in urmatoarele ipoteze: a) se izoleaza o portiune curpinsa intre mijlocul a doua paliere vecine care lucreaza in conditiile amplitudinilor maxime ale momentelor de incovoiere si de torsiune si a fortelor variabile ca semn; b) se considera aceasta portiune ca o grinda.