Constructia si calculul boltului

Constructia si calculul boltului

1. Rol, conditii functionale, constructie

Boltul este organul care stabileste legatura dintre piston si biela prin intermediul lui transmitandu-se forta de presiune a gazelor de la piston la biela.

Boltul, fiind o piesa in miscare, dezvolta o forta de inertie care se transmite mecanismului motor, de aceea se impune ca masa lui sa fie cat mai redusa.

El este supus solicitarilor mecanice datorate fortei de presiune a gazelor si fortelor de inertie. Aceste forte produc incovoierea boltului in plan longitudinal si ovalizarea in plan transversal. De asemenea, in sectiunea A - A boltul este solicitat la forfecare. Marimea si caracterul variabil al sarcinilor mecanice solicita boltul la oboseala.

In afara acestor solicitari boltul este supus unei uzuri intense datorita dificultatilor de ungere care determina un regim termic ridicat, datorita deformatiilor si socurilor care intrerup pelicula de ulei, mai ales in cazul jocurilor mari.

Ca urmare, fata de bolt se impun urmatoarele cerinte: rezistenta la incovoiere si la soc, rezistenta ridicata la uzura, rezistenta ridicata la oboseala.

Constructiv, boltul are forma tubulara in diferite variante: cea mai des utilizata este forma cu sectiune constanta, deoarece este cel mai simplu de realizat din punct de vedere tehnic. Celelalte solutii sunt construite in ideea "bolt de egala rezistenta", tinandu-se cont de solicitarile mentionate anterior. Apar insa unele dificultati tehnologice din care cauza au o raspandire redusa .

2. Asamblarea bolt - biela - piston

Exista la ora actuala trei tipuri de asamblare bolt - biela - piston:

A) Boltul flotant, asamblare ce presupune montarea cu joc a boltului atat in piciorul bielei cat si in umerii pistonului. Ca urmare boltul, in timpul functionarii, are posibilitatea atat de rotire cat si de deplasare axiala . Biela, fiind confectionata tot din otel ca si boltul, pentru a evita uzura celor doua piese ca urmare a miscarii relative dintre are dispusa in piciorul ei o bucsa antifrictiune. De asemenea, pentru a impiedica lovirea sau zgarierea oglinzii cilindrului de catre bolt, ca urmare a posibilitatii de deplasare axiala, aceasta se fixeaza de obicei cu doua inele de siguranta din otel de arc cu sectiune circulara sau dreptunghiulara, montate in santurile anume practicate in umerii pistonului. Deoarece prezenta acestor inele impiedica trecerea pe suprafata boltului din piston a uleiului ars de segmentul de ungere, ungerea acesteia se face cu ceata de ulei din carter. Pentru ungerea boltului in biela, se executa in piciorul acesteia un orificiu ce strabate si bucsa antifrictiune, prin care patrunde uleiul din ceata ce se formeaza sub capul pistonului.

Se observa deci conditiile dificile de ungere ale boltului pentru care cauza este necesara o rezistenta mare la uzura suprafetei acestuia. Uneori insa, dar cu complicatii tehnologice, se poate realiza ungerea sub presiune a boltului in piciorul bielei prin practicarea unui orificiu ce strabate corpul bielei, de la fusul maneton la bolt, prin care circula uleiul.

B) Bolt fix in piciorul bielei si liber in umerii pistonului. La motoarele de automobil asamblarea se realizeaza prin incalzirea piciorului bielei la 240 - 280 C inainte de montarea boltului. Dupa montare si in urma racirii alezajului pentru bolt din piciorul bielei se micsoreaza realizand strangerea si fixarea boltului. Acesta nu va mai avea nici posibilitatea rotirii, nici a deplasarii axiale, deci intre el si biela nu va exista miscare relativa , iar bucsa antifrictiune si ungerea boltului in aceasta zona nu mai sunt necesare. In plus deplasarea axiala a boltului (care nu poate avea loc decat impreuna cu biela) este limitata la jocul axial al bielei pe fusul maneton, care este foarte mic, ceea ce face imposibila lovirea oglinzii cilindrului. Ca atare vor lipsi si inelele de siguranta pentru fixarea axiala a boltului.

Ungerea boltului in umerii pistonului se face tot cu ceata de ulei din carter, prin orificiile practicate in acesta.

C) Bolt liber in piciorul bielei si fix in umerii pistonului. Asamblarea se realizeaza prin fixarea boltului in umeri , cu ajutorul suruburilor care strabat boltul in dreptul umerilor. Boltul devine mai putin rigid, deoarece la imbinarea cu surub apar concentratori de tensiune. In plus creste masa in miscare alternativa de translatie.

Solutia practic nu se utilizeaza la motoarele de automobil ci doar la cele de locomotive sau nave.

3. Materiale pentru bolt

Boltul se confectioneaza prin strunjire din bare laminate. Materialul pentru bolt trebuie sa aiba o duritate ridicata (55 65 HRC) a stratului superficial, pentru a rezista la uzura si oboseala, si o tenacitate ridicata a miezului (3545 HRC). Se utilizeaza otelul carbon de calitate sau oteluri aliate.

Dupa executie boltul se supune unui tratament termochimic de cementare sau de calire superficiala, pe o adancime de cca. 11,5 mm. Voi adopta pentru solutia mea un bolt flotant din OLC 45.

4. Alegerea dimensiunilor caracteristice

In general boltul se dimensioneaza pe baza datelor constructive. La alegerea dimensiunilor trebuie sa se aiba in vedere trei criterii:

- greutate redusa;

- presiuni specifice mici;

- rigiditate sporita

Date constructive (fig. 5.5.):

- lungimea boltului l = 0,8.D = 118 mm

- lungimea l_b = 0,34.D = 50 mm

- diametrul exterior d = 0,33.D = 49 mm

- diametrul interior d_i = 0,61.d = 30 mm

5. Calculul de rezistenta al boltului

Calculul de rezistenta al boltului consta in:

a) Verificarea boltului la oboseala prin incovoiere

Boltul se verifica la oboseala prin incovoiere, la forfecare si ovalizare.

Pentru verificarea la oboseala prin incovoiere se admite schema de calcul unde pe portiunile de lungime cuprinse intre umerii pistonului se considera o distributie liniara, iar pe portiunea cuprinsa in piciorul bielei o distributie uniforma.

Sectiunea periculoasa la incovoiere este la mijlocul boltului unde momentul incovoietor este:

M = F/12(l + 0,5l_b + 4j) (5.33)

unde :

- l si l_b au valorile adoptate mai sus;

- j este jocul dintre piciorul bielei si umerii pistonului, j = 2 mm;

- F este forta care actioneaza asupra boltului. Ea reprezinta de fapt rezultanta dintre forta de presiune a gazelor si forta de inertie a masei pistonului si segmentilor. Asadar:

F = F_p + F_j (5.34)

unde :

- F_pmax si F_jmax sunt forta maxima de presiune a gazelor respectiv forta maxima de inertie;

- F_pmin si F_jmin sunt forta minima de presiune a gazelor respectiv forta minima de inertie;

Deci F_max = 190378,9 N, iar F_min = 1495,82 N

Tensiunea maxima (minima) se calculeaza cu relatia:

s_{imax (min)} = M_{imax (min)}/W_z (5.35)

unde W_z este modulul de rezistenta care are expresia:

(5.36)

Inlocuind relatiile (5.33) si (5.36) in (5.35) rezulta:

s_{imax (min)} = 8 F_{max (min)} (l + 0,5l_b + 4j)/(3p d_eb³(1 - a (5.37)

in care s-a notat:

a = d_ib/ d_eb (5.38)

Inlocuind valorile in relatia de mai sus rezulta s_max = 197,83 MPa

La boltul flotant se considera ca ciclul de incarcare este simetric, presupunand ca boltul se roteste cu 180⁰ in fiecare ciclu motor.

In acest caz coeficientul de siguranta la oboseala se calculeaza cu relatia:

(5.39)

unde:

- s este rezistenta la oboseala prin ciclu simetric de incovoiere s = 280 MPa

- s_max tensiunea maxima de incovoiere s_max = 197,83 MPa

- b_k

- g

- e coeficient dimensional e

Inlocuind valorile rezulta c_s care este mai mare decat coeficientul de siguranta impus c_imp = 1,5.

b) Verificarea boltului la forfecare

Aceasta verificare se face pentru sectiunea unde forta taietoare este maxima, T_max = F/2. Se stie ca tensiunea tangentiala maxima t_max se gaseste in axa neutra si este constanta de-a lungul acestei axe. Inlocuind in relatia lui Juravski t_f = T S_z x I_z forta taietoare T_max = F/2, momentul static al sectiunii suprafetei fata de axa si momentul de inertie al intregii sectiuni fata de axa Oz se obtine:

(

in care:

- a = d_ib/ d_eb

- F este forta maxima

Inlocuind in relatia de mai sus rezulta t_max = 119,27 MPa valoare care este cuprinsa intre valorile admise [80120] MPa.

c) Verificarea boltului la ovalizare

Pentru verificarea la ovalizare a boltului, acesta se considera ca o bara curba incarcata simetric, pe circumferinta definita de raza medie r_m = (d_eb+d_ib)/4, cu o sarcina (p) distribuita sinusoidal. S-a considerat pe suprafata superioara presiunea ce ia nastere intre bolt si umerii pistonului, iar pe suprafata inferioara presiunea ce ia nastere intre bolt si piciorul bielei. De remarcat ca acestea apar in sectiuni transversale diferite, nu acelasi plan cum s-a considerat in schema de calcul. Din acest motiv forta F se multiplica cu coeficientul: