Constructia si calculul arborelui cotit

Constructia si calculul arborelui cotit

1 Rol, componenta, conditii functionale

Arborele cotit este organul motorului care finalizeaza transformarea lucrului mecanic produs in cilindrii motorului prin miscarea de translatie a pistoanelor in miscare de rotatie proprie care sa furnizeze un moment motor util.

Forma generala a arborelui cotit depinde de o serie de factori: tipul motorului, numarul si dispunerea cilindrilor, ordinea de aprindere, echilibrarea motorului, materialul utilizat.

Figura 1

Constructiv, la un arbore cotit se disting urmatoarele parti componente: capatul anterior (1), fusurile paliere (2), fusurile manetoane(3), bratele(4), contragreutatile(5), capatul posterior(6). Arborele cotit asamblat este prevazut cu volantul necesar uniformizarii miscarii.

Pe capatul anterior al arborelui se amplaseaza pinionul pentru actionarea distributiei, fulia pentru ventilator, toate stranse cu un clichet pentru antrenarea manuala a arborelui cotit.

Pentru montarea acestor organe capatul anterior se executa in trepte.

O atentie deosebita se acorda etansarii pentru prevenirea scurgerii uleiului din carter. In acest scop se utilizeaza garnituri de etansare din cauciuc si deflectoare din tabla.

Fusurile paliere sunt fusurile ce se gasesc pe axa de rotatie a arborelui cotit si prin intermediul carora acestea se sprijina in lagarele executate in carterul superior al motorului.

Pentru a satisface conditia de rigiditate a arborelui cotit, fusurile paliere se amplaseaza dupa fiecare cot. Pentru dilatarea libera a arborelui fata de carter se practica fixarea axiala cu inele acoperite cu material antifrictiune. Aceasta se poate face la fusul palier posterior, la fusul palier anterior sau la fusul palier central.

In cazul de fata fixarea axiala se face la fusul palier posterior, caz in care nu se influenteaza jocul in ambreiaj, in timp ce roata pentru actionarea distributiei se poate deplasa putin (se adopta cazul antrenarii mecanismului prin curea dintata).

Fusurile manetoane sunt fusurile ce se gasesc de-a lungul si in jurul axei de rotatie a arborelui cotit la distanta r=S/2 fata de aceasta, servind pentru articularea bielelor. Pentru a asigura o rigiditate satisfacatoare arborelui cotit se realizeaza o suprapunere a sectiunilor fusurilor manetoane cu fusurile paliere.

Pentru asigurarea regimului de ungere hidrodinamic la nivelul fusurilor, uleiul este adus sub presiune prin canale executate in arbore care traverseaza bratele si fusurile. Orificiile de la suprafata se amplaseaza in acea regiune in care se realizeaza, pe ciclu, presiunea cea mai mica, dupa diagrama de uzura.

Bratele sunt partile arborelui cotit care realizeaza legaturile dintre cele doua tipuri de fusuri. Acestea se realizeaza sub forma eliptica care asigura rezistenta marita fata de solicitarile de incovoiere si torsiune si cea mai rationala repartitie a masei de metal.

Contragreutatile sunt mase dispuse pe prelungirea bratelor, in sens opus fusului maneton, cu scopul de a ameliora echilibrarea fortelor de inertie si a momentelor lor si de a descarca partial lagarele. Prin momentul lor de inertie contragreutatile diminueaza si frecventa oscilatiilor de torsiune. De aceea forma lor trebuie astfel conceputa incat la un cuplu static cat mai mare sa aiba un moment de inertie cat mai mic (sa tinda spre o forma circulara). Practic contragreutatile au forma unui sector de cerc.

Capatul posterior, ca parte a arborelui cotit deosebit de solicitata se realizeaza cu o lungime cat mai mica. Partea terminala a acestui capat este prevazuta cu flansa pentru montarea volantului.

Fixarea volantului se face cu suruburi care trebuie sa asigure prin strangere, pe suprafata imbinarii dintre flansa si volant, un moment de frecare mai mare decat momentul motor.

Etansarea capatului din spate se obtine prin combinarea inelelor deflectoare cu garniturile de etansare din cauciuc si prin efect de labirint creat printr-o portiune filetata a capului posterior al arborelui (filetul se executa in sens invers sensului de rotatie al arborelui).

Fortele preluate de arborele cotit, periodic variabile, produc momente incovoietoare si de torsiune, de asemenea variabile periodic, care solicita elementele arborelui cotit la oboseala. Aceasta solicitare este periculoasa mai ales in zonele unde rezistenta la oboseala e micsorata prin concentrari importante ale eforturilor unitare: la trecerile dintre fusuri si brate, caracterizate prin variatii bruste de sectiune si in dreptul orificiilor cu care sunt prevazute fusurile pentru vehicularea uleiului de ungere.

Solicitarile arborelui au si caracter de soc, datorita jocurilor din articulatii, vitezei mari de crestere a presiunii in timpul arderii si schimbarilor de sens ale fortelor aplicate. Suplimentar, fusurile arborelui cotit sunt supuse frecarii si uzurii.

Din cauza solicitarilor de incovoiere, arborele cotit se deformeaza astfel incat compromite coaxialitatea fusurilor si cuzinetilor ceea ce determina uzura lagarelor. In plus, o rigiditate insuficienta a carterului si a bratului poate provoca ruperea cotului.

Momentele care solicita arborele cotit genereaza vibratii de incovoiere si de torsiune ale acestuia. Vibratiile de incovoiere se asociaza cu vibratiile axiale intrucat deformatiile radiale ale cotului provoaca deplasari axiale ale fusurilor paliere. Deoarece amplitudinile vibratiilor de incovoiere sunt limitate datorita montarii fisurilor in lagare, aceste vibratii devin periculoase numai daca jocurile din lagare se maresc exagerat. Mult mai importante pot fi implicatiile vibratiilor de torsiune, deoarece deformatiile unghiulare ale arborelui nu sunt controlate decat de rigiditatea lui.

Dintre toate organele motorului, arborele cotit suporta cele mai mari solicitari. De aceea nivelul si varietatea solicitarilor impun ca arborele aiba sa valori inalte ale rezistentei la oboseala, rigiditatii si rezistentei la uzura a fusurilor, susceptibilitate redusa la rezonanta vibratiilor de torsiune, echilibrare dinamica precum si o inalta precizie de fabricatie ca dimensiuni si forma.

2 Alegerea materialului si a dimensiunilor principale

Fata de materialul pentru arborele cotit se impun urmatoarele cerinte:  

-mare rezistenta la oboseala;

-posibilitatea obtinerii unei duritati ridicate a suprafetei fusurilor;

-buna prelucrabilitate;

usurinta obtinerii semifabricatului.

 

Figura 2

Pentru a satisface aceste conditii arborii se executa din otel sau fonta. Alegerea materialului se face si in functie de procedeul de fabricatie si de dimensiunile arborelui. Arborele cotit se confectioneaza prin doua procedee: prin forjare si prin turnare. Arborii forjati se realizeaza din otel prin forjare libera sau in matrita cand lungimea arborelui nu depaseste 2 m. Pentru turnarea arborelui cotit se foloseste in special fonta care s-a dovedit foarte avantajoasa. Cu toate ca are o rezistenta mica la incovoiere, utilizarea fontei este posibila atribuind fusurilor si bratelor dimensiuni mai mari si rezemand fiecare cot pe doua fusuri paliere ceea ce corespunde cu tendinta de rigidizare a arborelui cotit. Arborii cotiti turnati prezinta anumite particularitati in raport cu cei forjati. Prin turnare se obtine semifabricatul cu o forma mai adecvata din punct de vedere al solicitarilor. Semifabricatul este mai precis, ceea ce determina micsorarea volumului de prelucrari mecanice, reducerea consumului de material si reducerea duratei de fabricatie. Datorita prezentei grafitului, arborii turnati din fonta sunt putin sensibili la concentrarea tensiunilor, au o rezistenta la oboseala ridicata. Incluziunile de grafit confera fontei calitati mai inalte de amortizare a oscilatiilor torsionale. Tot prezentei grafitului i se datoreaza si calitatile antifrictiune superioare ale fontei, din care cauza fusurile au o rezistenta mai mare la uzura.

Se alege ca material pentru fabricarea arborelui cotit fonta cu grafit nodular Fgn 800-2 (STAS 6071-82) cu urmatoarele caracteristici:

Tabelul 1

Dimensiunile arborelui se adopta pe baza datelor statistice:

Tabelul 2

Figura 3

3 Studiul dinamic al fusului maneton

3.1 Fortele care actioneaza asupra fusului maneton

Daca asupra fusului maneton ar lucra o singura biela, atunci fusul maneton este solicitat de urmatoarele forte:

o forta B variabila ca marime si ca sens orientata totdeauna de-a lungul axei bielei componenta a fortei rezultante:

F=F_p +F_j (1)

si a carei variatie e data de relatia:

B=F/cos (2)

Componentele acestei forte sunt: Z dirijata in lungul axei bratului manivelei si T dirijata tangential la traiectoria axului fusului maneton.

- forta F_RB data de relatia:

F_RB=m₂rw =0,482·44,25·10^-3· 628,3²=8419 N (3)

creata de masa m₂ a bielei care executa numai miscare de rotatie.

Aceasta forta nu depinde de unghiul de rotatie a al arborelui cotit, fiind constanta ca marime w=ct.) si sens; directia ei este totdeauna directia axei bratului manivelei, iar sensul de la centrul fusului palier spre centrul fusului maneton.

Forta F_RB are caracterul unei forte centrifuge.

Figura 4

Tabelul 3

3.2 Diagrama polara si de uzura a fusului maneton

Pentru verificarea elementelor cotului trebuie stabilita variatia fortelor aplicate acestuia, ceea ce se realizeaza cu ajutorul diagramei polare.

Constructia grafica care permite insumarea vectoriala a celor doua forte care actioneaza asupra fusului maneton:

(4)

se numeste diagrama polara a fusului maneton.

Diagrama polara se poate trasa prin doua metode:

-prin compunerea grafica a fortelor B si F_RB;

-prin compunerea grafica a componentelor Z si T ale fortei B cu forta F_RB.

Pentru trasarea diagramei polare am folosit cea de-a doua metoda

Fortele Z si F_RB actioneaza tot timpul dupa aceeasi directie si determina o rezultanta:

Z_B=Z+F_RB  (5)

Deoarece fortele Z_B si T sunt perpendiculare rezultanta lor se determina cu relatia:

(6)

forta care face cu directia lui T (tangenta la maneton) un unghi:

y arctg Z_B/T  (7)

Pe baza datelor de variatie a fortei R_M functie de unghiul de rotatie a [ vezi tabelul 4] se traseaza diagrama polara desfasurata si se stabilesc valorile maxima si medie ale fortei R_M.

R_M=23534 N

(8)

Tabelul 4

Tabelul 5

Diagrama de uzura a fusului maneton se construieste pe baza diagramei polare si este necesara pentru a stabili zona cea mai putin solicitata a fusului (zona in care uzura fusului este minima) unde va fi practicat orificiul pentru vehicularea uleiului in scopul ungerii lagarului.

Pentru trasarea diagrame, conventional se considera ca fortele care solicita la un moment dat fusul se distribuie uniform pe suprafata lui pe o portiune situata la 60° intr-o parte si alta fata de punctul de aplicare.