Unitatea De Invatare 6 [617206]

92 Unitatea de învățare 6. Construcția și calculul bolțului

6.1. Introducere

În acest capitol se prezintă soluții constructive pentru bolțul de
piston și elemente de calcul ale acestuia. De asemenea, sunt prezentate unele
principii care stau la baza proiectării bolțului de piston.

6.2. Competențele unității de învățare

 Cunoașterea diverselor soluții constructive utilizate la bolțurile de
piston;
 Însușirea avantajelor și dezavantajelor diferitelor soluții utilizate la
construcția bolțurilor;
 Însușirea modului de alegere a soluțiilor constructive în funcție de tipul și
destinația motorului;
 Cunoașterea materialelor și semifabricatelor utilizate în c onstrucția
bolțurilor de piston;
 Cunoașterea principiilor care stau la baza proiectării și calculului bolțurilor
de piston.

Durata medie de parcurgere a primei unități de învățare este de 2
ore.

93 6.3. Construcția a bolțului

Proiectarea bolțului trebuie să satisfacă cerințele privind obținerea unei mase cât
mai reduse și o rigiditate suficientă pentru funcționarea mecanismului motor. Se adoptă
forma tubulară în diferite variante (fig. 6.1) funcție de tipul motorului și felul îmbinării cu
biela și pistonul.

Fig.6.1. Forme constructive ale bolțului

La motoarele de turație ridicată pentru a se reduce valorile forței de inerție se
adoptă o grosime minimă a pereților (2…5 mm). La MAC datorită turațiilor mai scăzute și
presiunii din cilindri mai ridicată se adoptă o grosime mai mare a peretelui bolțului (8…13
mm). Bolțul cu secțiune constantă (a) este soluția tehnologică simplă și aplicabilitatea cea
mai largă. Pentru a se mări rigiditatea bolțului acesta se confecționează sub forma unui
solid de egală rezistență (b) sau cu secțiunea în trepte (c și d).
Îmbinarea bolțului cu piciorul bielei și pistonul se poare realiza după una din
soluțiile:
– bolț fix în piston și liber în piciorul bielei (fig. 6.2.a.);
– bolț fix în piciorul bielei și liber în piston (fig. 6.2.b);
– bolț flotant (fig. 6.2.c și d).
Utilizarea primei soluții de montaj necesită asigurarea printr -un șurub care
străpunge pereții locașului din piston precum și pe cei ai bolțului sau presarea bolțului în
pistonul încălzit la 423 – 473 K. Soluția este puțin utilizată datorită dezavantajelor pe c are
le prezintă: concentrare de tensiuni la marginile găurii; mărește lungimea piciorului bielei;
reduce rigiditatea bolțului și mărește masa îmbinării.
Soluția a doua de îmbinare se realizează prin construcția bielei cu picior elastic sau

94 printr -un montaj cu strângerea piciorului bielei . Se încălzește la 510 … 550 K. Montajul cu
bolț fix în piciorul bielei permite reducerea lungimii piciorului bielei și a bolțului. De
asemenea dezaxarea bielei se reduce la jumătate față de montajul bolțului flotant, cee a ce
determină reducerea uzurii și a nivelului de zgomot.
Asamblarea cu bolț flotant prezintă avantajul asigurării unor uzuri minime și
uniforme atât pe lungime cât și pe circumferință deoarece se micșorează vitezele relative
dintre suprafețe și permite re alizarea unei rotații complete a bolțului după un număr de
cicluri.

Fig.6.2. Tipuri de îmbinări piston -bolț bielă: a) bolț fix în piston liber în piciorul bielei; b)
bolț fix în piciorul bielei și liber în piston; c,d) bolț flotant

Deplasarea axială a bolțului este împiedicată prin montarea a două inele de
siguranță în locașuri speciale practicate în piston (fig. 6.2.c), întrucât inelele elastice
îngreunează trecerea uleiului spre zonele de ungere de pe suprafața bolțului în capetele lui.
Se presează dopuri din materiale moi care nu produc uzuri cămășii cilindrului. (fig. 6.2.d).

95 Bolțul trebuie să aibă un miez tenace pentru a rezista la solicitări cu șoc și o
duritate mare a suprafeței exterioare pentru a rezista la uzură. Materialel e care satisfac cel
mai bine aceste condiții sunt oțelurile carbon de calitate și oțeluri aliate de cementare (Cr,
Ni, Mo, V). Suprafața bolțului se cementează pe întreaga lungime și pe adâncime de
0,5…1,5 mm (Stratul superficial are o duritate de 55…65 HR C iar miezul 35…45 HRC).
Tratamentul de cementare este o operație scumpă și se înlocuiește cu călirea
superficială prin CIF, pe o adâncime de 1,0…1,5 mm.
Pentru a se asigura jocurile de montaj se impun condiții stricte privind precizia
dimensională și de formă ale bolțului. Bolțul se execută în câmpul de toleranță
corespunzător clasei 1 de precizie. Abaterea de la forma cilindrică se limitează la 2,5…3,0
mm iar a suprafeței interioare 3,2…6,3 mm.

Fig. 6.3. Dimensiunile bolțului

6.4. Calculul bolțului

Dimensiunile bolțului (fig. 6.3) se adoptă se baza datelor statistice (Tab. 6.1) și se
efectuează calculele de verificare a rezistenței la uzură, a solicitărilor mecanice și a
deformațiilor precum și precizarea prin calcul a jocurilor de montaj.
6.4.1. Verificarea la uzură
Rezistența la uzură poate fi apreciată după mărimea valorilor presiunilor specifice
în piciorul bielei ( pb) și în umerii pistonului ( pp).
Schema de calcul este arătată în fig.6.4.

96

Tabelul 6.1.
Dimensiunile constructive ale bolțului
Dimensiunea M.A.S. M.A.C.
Diametrul exterior de [mm] (0,24…0,28) D (0,34…0,38) D
Diametrul interior di [mm] (0,65…0,75) de (0,60…0,75) de
Lungimea bolțului l [mm]
– bolț flotant
– bolț fix
(0,80…0,87) D
(0,88…0,93) D
(0,80…0,87) D
(0,88…0,93) D
Lungimea de contact cu piciorul
bielei lb
– bolț flotant
– bolț fix

(0,30…0,40) D
(0,26…0,30) D

(0,32…0,42) D
(0,27…0,32) D

Convențional se consideră că forța care solicită bolțul este:
 FF FDp mrg j2
g p p
max max412
(6.1)
– presiunea în locașurile din piston;
p
ppF
dl2
(6.2)
– presiunea în piciorul bielei;
b
ppF
dl
(6.3)

97
Fig.6.4.Schema de calcul a bolțului
Valorile calculate pentru presiunile specifice nu trebuie să depășească 20…50 MPa
pentru piciorul bielei și 15…35 MPa pentru locașurile din piston.
Materialul bucșei are o rezistență la uzură superioară materialului pistonului, de
asemenea ungerea bucșei se realizează mai ușor decât ungerea locașurilor din piston, de
aceea lungimea bucșei este mai mică decât lungimea bosajelor 2lp=(1,1…1,3) lb.

6.4.2. Verificarea la încovoiere
Tensiunea maximă determinată de momentul încovoietor la mijlocul bolțului se
calculează cu relația:
 
ib
eFl l j)
d
05 4
12 12 4,
,
6 (6.4)
unde:
i
ed
d 7
Valoarea admisibilă a tensiunii unitare maxime de încovoiere este de 250…500
N/mm2 pentru oțel aliat și de 120…150 N/mm2 pentru oțel carbon.
În cazul bolțului flotant solicitarea variază după ciclu simetric, iar pentru
determinarea coeficien tului de siguranță se utilizează ecuația:
c-1
k
a1



(6.5)
Valoarea minimă a coeficientului de siguranță trebuie să fie cuprinsă între
1,0…2,2.
Pentru bolțul fix în bielă, ciclul este asimetric, iar coeficientul de siguranță se
calculează cu ecuația:
c1
k
a m2



8 (6.6)
Valoarea admisibilă a coeficientului de siguranță la încovoiere pentru bolțul fix în
piciorul bielei este cuprinsă între 2…4.
Efortul unitar mediu ( m) și amplitudinea eforturilor unitare (a) se determină cu
următoarele relații:

98
mimax imin
2 (6.7)
aimax imin
2
(6.8)
unde: imax și imin se calculează cu relația (6.4) pentru valorile maxime și minime
ale forței F.
Pentru parametrii care intră în relațiile de calcul ale coeficientului de siguranță se
pot folosi următoarele valori:
– rezistența la oboseală pentru ciclul simetric de încovoiere:
-1 = 180…250 N/mm2 pentru oțel carbon;
-1 = 340…380 N/mm2 pentru oțel aliat.
– rezistența la oboseală pentru ciclul pulsat or de încovoiere:

   01416,,-1 9;
– coeficientul tensiunilor

 20
0-1 ;
– coeficientul efectiv de concentrare la solicitări variabile: k=110;
– factorul dimensional:  = 0,8…0,9;
– coeficientul de calitate al suprafeței:
– bolț călit cu suprafață lustruită:  = 1,1…1,5
– bolț cementat cu suprafața lustruită:  = 1,5…2,5
6.4.3. Verificarea la forfecare
Verificarea la forfecare se realizează în secțiunile dintre părț ile frontale ale
bosajelor și piciorul bielei.
Tensiunea unitară la forfecare se determină cu relația:



085 1
14,F
d2
e2
(6.9)
Valoarea admisibilă a efortului unitar este de (150…220)N/mm2 pentru oțel aliat și
(80…120) N/mm2 pentru oțel carbon.

99 6.4.4. Calculul de ovalizare

Pentru a se studia ovalizarea se consideră bolțul ca o grindă curbă în secțiune
transversală încărcată cu o sarcină distribuită sinusoidal ( p = p0sin).
Deoarece ipoteza nu este riguros exactă, rezultatele se corectează prin m ajorarea
forței F cu un coeficient care ține seama de raportul dimensiunilor ( ).

Fig.6.5.Repartiția sarcinii

Tensiunile unitare de încovoiere într -o secțiune oarecare  iau următoarele valori
în fibra interioară ( i)ă și în fibra exterioară ( e).
()Fr
hlrh
h rhff
rKi1



 26
22
(6.10)
()Fr
hlrh
h rhff
rKe1



 26
22
(6.11)
unde:
 
1
2 1
e
ef
f f
rd
hd
K  



05 03185
0406
1
4
1
4
1515 043,cos , sin cos ;
,;
;
;
, , 




Valorile eforturilor unitare de ovalizare în secțiunile caracteristice se obțin din
condițiile  = 00 și  = 900.

100

()F
ldKF
ldi
e e





0 2 1 0190121
11
1, (6.12)

()F
ldKF
ldi
e e





90 2 2 0174121
10636
1,,
11
(6.13)

()F
ldKF
lde
e e
 




0 2 3 01902 1
11
1,
6.14)

()F
ldKF
lde
e e
 




90 2 4 01742 1
10636
1,,
12
(6.15)
Pentru simplificarea calculelor funcțiile 1, 2, 3, 4 împreună cu factorul de
corecție K s-au reprezentat grafic în funcție de raportul dimensional a în figura 6. 6.b.

Fig. 6. 6.Variația tensiunilor unitare de ovalizare în bolț(a) și valorile mărimilor K,
1, 2, 3,4 (b)

Tensiunile unitare iau valori extreme în secțiunile longitudinale, paralele cu planul
cilindrilor și normale pe planul cilindrilor. În secțiunea =0°, în fibra exterioară apar
tensiuni unitare de întindere iar în fibra interioară apar tensiuni unitare de c ompresiune. În
secțiunea =90° eforturile unitare în cele două fibre schimbă semnul. Valoarea admisibilă
pentru tensiunile unitare de încovoiere este cuprinsă în intervalul 140…300 N/mm2.
Deformația maximă de ovalizare se produce într -un plan normal pe axa cilindrului
și se calculează cu relația:

101
max ,



 0091
13F
lEK[m]13 (6.16)
Se recomandă ca deformația de ovalizare să fie mai mică decât jocul radial la cald.
max ’/2
14 unde
’ = (0,0005. ..0,001) de (6.17)

6.4.5. Calculul jocului la montaj

Pentru a menține jocul la cald în limitele recomandate pentru o bună funcționare
este necesar să se calculeze jocul de montaj dintre bolț și locașul său din piston:
  


d tt tt
tte 0l b Al p
Al p 
0 0
0 1
15 (6.17)
unde:
0l12106 16 [1/K] – coeficientul de dilatare al materialului bolțului;

 Al 1725106 [1/K] (6.18) – coeficientul de dilatare al materialului
pistonului;
tb = 423 K -temperatura bolțului;
tp = (423 … 473) K – temperatura pistonului;
t0 = 293 K – temperatura mediului ambiant.
Deoarece
AL 0L >  17 și
p b t > t 18este posibilă apariția de jocuri negative.
Când bolțul este flotant, la rece, ajustajul lui în locașurile din piston trebuie să fie cu
strângere. De aceea pentru a face posibilă funcționarea la pornire bolțul se montează cu joc
în piciorul bielei.
În cazul în c are bolțul este fix în piciorul bielei funcționarea la pornire este posibilă
numai dacă bolțul se montează cu joc în locașurile din piston, joc care în timpul
funcționării se poate mări.
Montajul dintre bolț și piston cu ajutaj cu strângere se poate realiz a prin încălzirea
pistonului la 353…393K.
Jocul la cald în piciorul bielei nu diferă practic de jocul de montaj deoarece
temperatura piciorului bielei și temperatura bolțului au valori apropiate și sunt
confecționate din același material.

102
Exemple

1. Să se verifice la încovoiere bolțul pistonul ui cu
dimensiunile din figura 6.6 . Se cunoaște forța maximă de presiune F pmax =
179,9 kN.
Răspuns: ζ i =36,6 kN/cm2 (relația aproximativă);
ζi =24 kN/cm2 (relația cu precizie sporită).

Fig. 6.6.
Fig. 6.7.

2. Să se calculeze presiunea ce apare în pelicula de ulei pe bolțul
pistonului de la problema 6.7. Să se aprecieze rezultatele obținute.
Răspuns: qa =6,74 kN/cm2; qb =8,50 kN/cm2. Ambele valori
depășesc limitele admisibile.

Să ne reamintim…
 Se adoptă forma tubulară în diferite variante funcție de
tipul motorului și felul îmbinării cu biela și pistonul.
 Îmbinarea bolțului cu piciorul bielei și pistonul se poare

103 realiza după una din soluțiile:
– bolț fix în piston și liber în piciorul bielei,
– bolț fix în piciorul bielei și liber în piston,
– bolț flotant
 Bolțul trebuie să aibă un miez tenace pentru a rezista la
solicitări cu șoc și o duritate mare a suprafeței exterioare
pentru a rezista la uzură. Materialele care satisfac cel mai
bine aceste condiții sunt oțelurile carbon de calitate și
oțeluri aliate de cementare (Cr, Ni, Mo, V).