Constructia si calculul camasii cilindrului

1. Alegerea materialului

Camasa cilindrului motoarelor de automobil se confectioneaza din fonta, deoarece satisface cel mai bine dezideratele principale:

rezistenta inalta la uzura abraziva si coroziva;

proprietati antifrictiune bune;

rezistenta satisfacatoare la solicitari mecanice;

turnare usoara.

Structura perlitica cu grafit lamelar fin sau cu grafit nodular asigura proprietati antifrictiune si rezistenta la uzura. Prin alierea fontei cu Ni, Cr, Mo, Cu, Ti se obtin proprietati imbunatatite. Prin tratament termic se asigura o duritate de 360.440 HB.

2. Alegerea tipului de camasa

Camasa de cilindru poate fi umeda, cand este udata la exterior de lichidul de racire sau uscata, cand suprafata exterioara este in contact cu suprafata cilindrica din bloc. Pentru acest motor alegem varianta de camasa umeda.

a) Stabilirea modului de rezemare a camasii

Camasile umede se monteaza cu joc in blocul motor si sunt prevazute cu guler de sprijin in partea superioara, in partea inferioara sau la (1/3 . 1/2)D de suprafata superioara a camasii, unde D este diametrul interior al camasii cilindrului. Se alege varianta cu guler in partea superioara.

b) Stabilirea sistemului de etansare al camasii

Camasile cilindrilor trebuie etansate fata de gaze in partea superioara (zona de contact cu chiulasa) si fata de lichidul de racire in partea inferioara.

Etansarea fata de gaze se realizeaza cu garnitura de chiulasa, care poate fi sub forma unei placi sau sub forma unei garnituri inelare.

Pentru camasile cu guler de sprijin in partea inferioara, etansarea se face cu garnituri de hartie sau cupru.

c) Stabilirea dimensiunilor principale ale camasilor

Se apreciaza ca rugozitatea optima este 0,35 0,45 mm intrucat asigura o stabilitate mare a peliculei de ulei si deci o uzare redusa. Pentru reducerea uzurii, suprafata interioara a cilindrului se cromeaza (cromare poroasa cu grosimea stratului de crom 0,025 0,25 mm).

Lungimea camasii cilindrului (L_C) se determina in functie de cursa pistonului (S) si lungimea acestuia (L), in conditiile de gabarit minim. Se va avea in vedere ca mantaua pistonului sa depaseasca marginea inferioara a camasii cu b = 10.15 mm, pentru a prelua ulei din ceata ce se formeaza in carter si pentru a evacua mai usor caldura. Deci:

L_c = S + L - b = 338,24 mm

Lungimea camerei de racire (L_Cr) trebuie astfel aleasa incit sa depaseasca nivelul primului segment de compresie cand pistonul se afla la p.m.i si la p.m.e. cu a = 6.10 mm. Deci:

L_cr= S + 2a

Aleg a = 8 mm T L_cr= 191,24 mm

Grosimea peretilor camasilor umede se calculeaza cu relatia empirica:

d = (0,065 .0,075)D= 10,22 mm

D₁= D + 2δ=166,47 mm

D₂= D₁ + (4.5)= 171 mm

in care D este diametrul interior al camasii cilindrului.

Diametrul exterior al gulerului de sprijin se determina din conditia ca presiunea (p_c) care ia nastere pe suprafata de contact (A) dintre guler si bloc sa nu depaseasca presiunea admisibila a materialului blocului (p_a = 380 MPa pentru Fc 200 , p_a = 420 MPa pentru Fc 250). Conditia de mai sus se scrie:

p_c = F/A p_a (5.1)

unde F este forta care apasa asupra gulerului unui cilindru datorita strangerii chiulasei . Aceasta forta trebuie sa fie de 1,3 ori mai mare decat forta data de presiunea maxima (p_{cil max}) din cilindru in timpul functionarii, adica:

F = 1,3 x p_cil x pD/4 (5

Daca in relatia (5.1) se inlocuieste (5.2) si expresia ariei de contact data de relatia:

se obtine diametrul exterior (D_g) al gulerului:

D_g =, (5.3)

unde D₂ este diametrul exterior al cilindrului blocului, deci D_g=173 mm.

Deci, diametrul gulerului se va lua mai mare sau cel putin egal cu cel rezultat din relatia (5.3), deci D_g=175 mm.

Inaltimea minima (H_g) a gulerului se determina din conditia de rezistenta la incovoiere. Se considera gulerul ca o placa inelara incastrata in camasa cilindrului de-a lungul circumferintei de diametru D₂ si incarcata cu o sarcina uniform distribuita (q) creata de forta F data de relatia (5.2). In teoria placilor se arata ca se obtin rezultate cu suficienta aproximatie daca se considera o fasie cu latimea egala cu unitatea drept o grinda avand aceleasi conditii de rezemare si de incarcare ca si placa reala.

Sarcina q uniform distribuita pe suprafata de contact se determina din conditia:

(5.4)

deci,

Se obtine pentru F valoarea F = 235,14 KN deci q = 435,4 MPa.

Momentul incovoietor maxim este:

M_max = q l² /2 (5.5)

in care l = D_g - D₂ deci l = 4 mm

Rezulta M_max = 3483,2 N/mm

Modulul de rezistenta axial se calculeaza cu expresia:

(5.6)

Din conditia ca tensiunea maxima de incovoiere sa fie cel mult egal cu tensiunea admisibila (s_a

se deduce inaltimea gulerului

H_g= (5.7)

Tensiunea admisibila se determina in raport cu tensiunea de rupere s_r cu relatia:

s_a s_r/c_r = 160 MPa

in care c_r este coeficientul de siguranta la rupere (c_r = 3).

3. Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata

Calculul de rezistenta al camasii cilindrului consta in verificarea grosimii (d) a peretelui. Calculul se bazeaza pe teoria tuburilor cu pereti grosi.

Camasa cilindrului este solicitata de:

- presiunea gazelor de ardere (p_cil);

- forta normala N transmisa de piston;

- presiunea ce ia nastere pe suprafata de contact cu blocul;

- tensiunile ce iau nastere datorita incalzirii inegale;

- forta de strangere a chiulasei (numai in cazul rezemarii intermediare sau in partea inferioara a camasii).

	j

	Fig. 5.2.

a)     Determinarea tensiunilor datorate presiunii gazelor

Se considera camasa cilindrului ca fiind un tub cu perete gros de sectiune constanta incarcat cu presiune interioara p_cil.

Sub actiunea presiunii p_cil in sectiunile facute in axa tubului cu cilindrii concentrici cu suprafetele interioare si exterioare apar tensiuni normale s_r orientate in lungul razei, iar in sectiunile facute cu plane ce contin axa tubului apar tensiuni normale s_a care sunt tangente la cercul care trece prin punctul considerat.

Aceste tensiuni se determina cu expresiile:

, rI[R, R₁] 

in care:

- R este raza interioara a camasii R = D/2 unde D = 146 mm este alezajul:

- p_cil este presiunea maxima a gazelor din cilindru, p_cil = 10,81 MPa;

- R₁ este raza exterioara a camasii R₁ = D1/2 unde D₁ = D + 2d = 166,47 mm

- r este o raza oarecare din intervalul [R,R1], r = 39 mm.

Pe conturul interior (r = R) tensiunile s_a,r au valorile:

(5.9)

iar pe conturul exterior (r = R₁)

(5.10)

Tensiunile cele mai mari se produc in interiorul tubului unde exista o stare plana de tensiune de intindere - compresiune.

b)     Determinarea presiunii de contact (p_c)

Expresia presiunii de contact se deduce pe baza teoriei tuburilor cu pereti grosi cu presiune interioara (p_cil) si exterioara (p_c).

In timpul functionarii presiunea de contact apare atat la camasile uscate montate cu strangere cat si la camasile uscate montate cu joc. Jocul maxim la montaj (2D) este inferior cresterii diametrului exterior al camasii (2U₁).

Dupa aplicarea presiunii gazelor (p_cil), se poate scrie pentru ambele cazuri de montaj relatia:

D = U₁ + U₂ (5.11)

in care deplasarea U₂ se considera negativa pentru montajul cu joc.

Deplasarea radiala (U₁) a punctelor de pe suprafata exterioara a camasii, sub actiunea presiunii (p_cil) si (p_c) este data de relatia:

(5.12)

Deplasarea radiala (U₂) a punctelor de pe suprafata interioara a cilindrului blocului sub actiunea presiunii interioare (p_c), se determina cu relatia:

(5.13)

Inlocuind expresiile (5.12) si (5.13) in relatia (5.11) se obtine expresia presiunii de contact sub forma:

p_c = (5.14)

Pentru cazul in care atat blocul cat si camasa cilindrului se executa din fonta, atunci E₁ = E₂ = = E si n n n, iar relatia (7) devine:

(5.15)

unde:

- R raza interioara a camasii;

- R₁ raza exterioara a camasii;

- R₂ raza exterioara a cilindrului blocului, R₂ = D₂/2 unde D₂ = D₁ + (4.5)mm = 171 mm T R₂ = 85,5 mm

- p_cil presiunea maxima din cilindru;

- E modulul de elasticitate longitudinal, E = 1,4 10⁵ MPa

- D este jumatate din strangerea maxima ce se poate realiza la montaj.

c)     Calculul tensiunilor datorate presiunii de contact

In cazul camasilor montate cu strangere se impune un calcul al tensiunilor care iau nastere numai datorita strangerii la montaj, deci cand p_cil = 0. Astfel, camasa cilindrului va fi considerata tub cu perete gros, cu presiune exterioara (presiunea de contact).

Daca in relatia (5.15) se considera p_cil = 0 se obtine expresia presiunii de contact sub forma:

(5.16)

in care:

- R raza interioara a camasii;

- R₁ raza exterioara a camasii;

- R₂ raza exterioara a cilindrului blocului;

- E modulul de elasticitate longitudinal, E = 1,4 10⁵ MPa

- D este jumatate din strangerea maxima ce se poate realiza la montaj.

Tolerantele de executie ale camasii si ale cilindrului blocului fiind

- D_{1 max} = D₁ + A_s unde D₁ = 166,5 + 0,017 deci D_{1 max} = 166,5 mm;

- D_{1 min} = D₁ + A_i unde D₁ = 166,5 deci D_{1 min} = 166,2;

se poate trece la determinarea marimii (D) cu relatia:

D ( D_{1 max} - D_{1 min} ),

deci D = 15 mm

Inlocuind valoarea lui D se obtin urmatoarele valori ale presiunii de contact:

p_c = 66,75 MPa

In camasa cilindrului, solicitata numai la presiunea exterioara p_c iau nastere urmatoarele tensiuni:

(5.17)

unde r este o raza oarecare din intervalul [R, R₁]

Pe conturul interior (r = R) ele au valoarea:

(5.18)

iar pe conturul exterior (r = R₁):

(5.19)

inlocuind valorile obtinem s_a = -83,12 MPa s_r = -66,75 MPa

Tensiunea cea mai mare se obtine pe conturul interior.

d)     Calculul tensiunilor datorate presiunii interioare (p_cil) si presiunii de contact (p_c)

Considerand camasa cilindrului tub cu perete gros cu presiunea interioara (p_cil) si presiunea exterioara (p_c), tensiunile principale se determina cu relatia:

, rI[R, R₁] (5.20)

in care p_cil este presiunea maxima a gazelor ce se realizeaza in interiorul cilindrului; p_c este presiunea de contact dintre camasa si bloc; R si R₁ sunt razele interioara si respectiv exterioara ale camasii.

Inlocuind valorile obtinem s_a = -1141,55 MPa s_r = 642 MPa

e) Calculul tensiunilor datorate strangerii chiulasei

Aceste tensiuni apar in cazul in care camasa este sprijinita in partea inferioara sau intermediar. Sunt tensiuni de compresiune ce apar in sectiunile facute cu plane perpendiculare pe axa camasii si se determina cu relatia:

in care F este forta cu care apasa chiulasa asupra unei camasi si A este aria sectiunii transversale:

f) Calculul tensiunilor termice

Camasa cilindrului este incalzita la interior de gazele de ardere si racita la exterior direct de catre fluidul de racire (camasi umede) sau indirect (camasi uscate).

Cand motorul functioneaza la sarcina si turatie constante, apar tensiuni termice stationare. Aceste tensiuni se determina considerand camasa cilindrului ca fiind un tub de lungime mare, care se incalzeste astfel incat sa realizeaza o stare termica axial simetrica cu temperatura constanta in lungul tubului, dar variabila pe grosimea peretelui dupa o lege liniara (fig.5.3.).

Fig. 5.3.