Constructia si calculul mecanismului de distributie

Constructia si calculul mecanismului de distributie

1 Tipuri de mecanisme de distributie utilizate la M.A.I.

Sistemul de distributie reprezinta ansamblul tuturor organelor motorului care asigura desfasurarea in bune conditii a proceselor de schimb de gaza. Se compune din doua parti distincte:

1) mecanismul de distributie care comanda deschiderea si inchiderea periodica a orificiilor de admisie si evacuare;

2) colectoare de gaze, care transporta si distribuie incarcatura proaspata la cilindrii si colecteaza gazele arse din cilindrii, conducandu-le in atmosfera;

3) amortizorul sau amortizoarele de zgomot, care limiteaza intensitatea zgomotelor produse de evacuarea gazelor de ardere sau de admisiunea fluidului proaspat.

Mecanismele de distributie, dupa procedeul de comanda al deschiderii si inchiderii orificiilor de admisie si evacuare, se clasifica in trei grupe:

a) mecanisme de distributie prin supape

b) mecanisme de distributie prin sertare

c) mecanisme de distributie prin lumini.

Primele doua procedee pretind un mecanism special de comanda iar ultimul asigura comanda cu ajutorul mecanismului biela-manivela, prin intermediul pistonului.

Distributia prin supape este universala la motoarele in patru timpi cu exceptia unor motoare de curse pentru care se foloseste distributia prin sertare.

Distributia prin lumini este caracteristica motoarelor in doi timpi unele putand avea si distributie mixta, prin supape si sertare.

Mecanismele de distributie prin supape au cea mai mare aplicabilitate datorita simplitatii lor si sigurantei in exploatare.

2 Partile componente ale mecanismului de distributie

Ansamblul general al elementelor care alcatuiesc mecanismul de distributie depinde direct de modul de amplasare a supapelor.

Dupa pozitia supapelor fata de cilindru mecanismele de distributie cu supape se impart in doua categorii:

- mecanisme de distributie cu supape laterale care s-au aplicat mult timp datorita constructiei simple, insa, din cauza arhitecturii camerei de ardere mai putin compacte precum si din cauza coeficientului de umplere redus indicii energetici ai motoarelor prevazute cu asemenea mecanisme de distributie au valori scazute; In prezent , aceste mecanisme nu se mai utilizeaza.

-mecanisme de distributie cu supape in chiulasa care permit realizarea unei forme mai compacte a camerei de la care se obtin indicii energetici cei mai ridicati, forma simpla a canalului de admisie si posibilitatea maririi sectiunii de trecere pe seama maririi numarului de supape sau a amplasarii acestora inclinate permit ridicare coeficientului de umplere; acest tip de mecanism de distributie este folosit pe toate motoarele moderne.

Elementele principale ale mecanismului de distributie obisnuit sunt:

-supapa care obtureaza orificiile de schimbare a gazelor;

-arcul supapei care mentine supapa pe sediul sau si impiedica desprinderea ei de sistemul de comanda a miscarii;

-arborele de distributie cu came, care comanda miscarea supapei;

-sistemul de impingatori, format din tacheti, tije impingatoare si culbutori, in cazul cand arborele de distributie este asezat lateral (fata de cilindru) si nu actioneaza direct supapa sau in cazul in care arborele de distributie este montat in chiulasa, lipsesc tijele impingatoare si eventual tachetii;

-sistemul de transmitere a miscarii de la arborele cotit la arborele de distributie.

La motoarele cu turatie mare de functionare (cum este si in cazul motorului de proiectat la care n_P = 6000 rot/min) pentru reducerea fortei de inertie din mecanismul de distributie se elibereaza unele elemente din lantul de transmitere a miscarii de la cama la supapa. In acest scop se amplaseaza arborele cu came pe chiulasa. Astfel pot fi acceleratii mai ridicate cu mentinerea unor jocuri la rece mai mici.

Prin reducerea fortelor de inertie se mareste durabilitatea camelor si frecventa proprie a ansamblului de piese in miscare.

Pentru a impinge performantele si mai departe, firma constructoare de masini, BMW, a dezvoltat un sistem de distributie variabila electro­magnetica, la care este posibila comanda individuala a deschiderii si inchiderii supa­pelor dupa o lege de ridicare optima controlata de un micro­procesor. Deplasarea supapei este comandata de doua bobine (una pentru deschide­re si cealalta pentru inchidere) care inlocuiesc axul cu came si sistemul de antrenare a distributiei. In prima figura 1 se poate observa constructia sistemului. In partea stanga supapa este inchisa, in timp ce in partea in partea dreapta supapa este deschisa.

Figura 1

Sistemul este com­pletat de un traductor de cursa, care transmite informatii privind miscarea supapei unitatii electronice de coman­da si de un regulator care controleaza sfarsitul cursei su­papei pentru a micsora viteza. Primele rezultate obtinute indica o crestere a cuplului de 5%. Marele avantaj al sistemu­lui consta in faptul ca permite functionarea motorului cu un amestec optim la toate regi­murile, iar in cazul motorului cu injectie directa, este posibil sa se comande cu precizie miscarea gazelor in cilindru si astfel sa se imbunatateasca randamentul in diferite cazuri de functionare.

Faptul ca motorul este lipsit de distributia clasica ofera un camp larg de dezvol­tare. Astfel, in chiulasa nu se ­afla decat supapele si bobi­nele electromagnetice de actionare (dispar axul cu came, pinionul axului, culbutorii sau basculele si tachetii). In aceasta situatei, apar noi posibilitati de amplasare a supa­pelor in pozitiile cele mai avantajoase, iar arhitectura camerelor de ardere poate cunoaste noi forme care sa conduca la o ardere mai curata si mai eficienta.

Totusi aceasta solutie ridica problema consumului de energie pentru alimentarea celor 12 de bobine de actiona­re a supapelor pana la turatii de 6.000 rpm. De aceea, este nece­sara o sursa puternica de curent, capabila sa ofere 40V

In figura urmatoare (figura 2) se poate observa modurile in care se poate actiona asupra fazelor de distributie. In prima imagine este trasata diagrama pentru un motor conventional, iar in celelalte sunt reprezentate diverse moduri in care se poate sa fie functionat sistemul de deschidere electromagnetica. In toate cazurile aratate, se poate observa o scadere a lucrului mecanic necesar schimbului de gaze, rezultand implicit o crestere a lucrului mecanic efectiv.

Figura 2

In figura 3 se prezinta modul cum poate varia durata de deschidere a supapelor. Supapa de evacuare are un singur mod de deschidere, graficul din stanga, in timp ce asupra supapei de admisie se poate actiona in mai multe moduri.

Figura 3

Atat sistem de dis­tributie variabila, reprezinta o solutii teh­nologica avansata, capabila sa contribuie eficient la rezol­varea cerintelor privind emi­siile poluante, consumul de combustibil, masele, confortul, securitatea si fiabilitatea, chiar si pentru motoarele conventionale cu combustibili petrolieri.

3 Alegerea materialelor pentru constructia mecanismului de distributie

3.1 Alegerea materialelor pentru supapa

In timpul functionarii, talerul supapei este supus fortei de presiune a gazelor si sarcinilor dinamice datorate fortei elastice a arcurilor si fortelor de inertie a pieselor de actionare, care produc eforturi unitare mari, distribuite neuniform, variabile, functie de forma talerului si valoarea presiunii. De asemenea supapele lucreaza in conditiile existentei temperaturilor ridicate si a actiunii corozive a gazelor de ardere. La actionarea supapei apar solicitari cu soc pe capul tijei supapei.

Datorita acestor conditii de lucru se utilizeaza pentru constructia supapelor oteluri speciale termorezistente si anticorozive, fata de care se impun anumite cerinte: rezistenta la solicitari dinamice la temperaturi ridicate pentru a nu se deforma in functionare; rezistenta sub sarcina prelungita pentru a nu se deforma in functionare; mentinerea duritatii la temperatura de regim; rezistenta la coroziune in diferite medii.

In plus materialul trebuie sa aiba bune calitati de alunecare (tija ghidului supapei), coeficientul redus de dilatare, buna conductibilitate termica si cost mic.

Fata de aceste cerinte cea mai buna comportare o au otelurile aliate cu crom ca element principal de aliere pentru marirea rezistentei la oxidare si coroziune.

Pentru supapele de admisie, unde conditiile de lucru sunt mai putin severe se utilizeaza otelurile martensitice cu Cr sau Cr-Ni obisnuite sau otelurile silcrom pe baza de Cr si Si.

Se adopta folosirea unui otel silcrom X45CrSi19 (pentru supapa de admisie) cu caracteristicile:

-compozitie: 0,48%C; 3,10%Si; 0,45%Mn; 9,00%Cr.

-rezistenta la rupere la tractiune: s_r=9001050 MPa;

-rezistenta de curgere la 20°C: s =750 MPa;

-alungirea la rupere:d

-duritatea la capatul tijei: 55HRC;

-duritatea pe scaun: 42HRC;

-duritatea canelura: 71HRC;

-densitatea: 7,6 g/cm³

-conductivitate termica:0,210W/cm K;

-coeficientul mediu de dilatare:13· 10^-6K^-1.

Cromul si siliciul favorizeaza formarea unui strat de oxid la suprafata supapei, care rezista la actiunea gazelor. Materialul se poate folosi si in cazul supapelor de evacuare cu incarcari termice moderate.

3.2 Alegerea materialului pentru arcuri

In timpul functionarii arcul trebuie sa retina supapa in pozitie inchisa si sa preia actiunea fortelor de inertie a ansamblului mecanismului de actionare a supapei, care are tendinta sa desprinda tachetul de cama pe portiunea acceleratiei negative.

Functionarea arcurilor pentru supape se caracterizeaza printr-o mare frecventa a ciclurilor de solicitare, care provoaca oboseala materialului si degradarea elasticitatii. In cazul vibratiei arcurilor, conditiile de lucru devin periculoase, cand la rezonanta poate sa se produca chiar ruperea acestora.

Cerinta de baza care asigura calitatea otelurilor pentru arcuri de supapa este inalta rezistenta la oboseala. Aceasta impune o deosebita puritate a otelului si lipsa oricaror defecte.

Principalele caracteristici ale otelurilor pentru arcuri sunt:

-compozitie: 0,620,70%C; 0,60,9%Mn; 0,170,37%Ni; 0,2%Cu.

-rezistenta la rupere la tractiune: s_r 12551667 MPa

-limita de curgere s_c=11281667 MPa;

-alungirea relativa la rupere: d_r min 5%;

-cituirea: z=min25%.

Arcurile se executa din sarma din otel trasa la rece.

4 Calculul mecanismului de distributie

4.1 Calculul inaltimii critice si inaltimii maxime de ridicare a supapei

Inaltimea maxima de ridicare a supapei se alege astfel incat sa fie satisfacuta conditia de sectiune litrica.

Sectiunea de trecere oferita de supapa se calculeaza pentru doua pozitii distincte ale supapei.

Prima pozitie este aceea in care normala coborata din punctele A si A' cade pe sediul talerului. In acest caz sectiunea oferita de supapa este un trunchi de con ABB'A' de arie:

Figura 4

A_I p h_s·cosg d*_sa+0,5h_ssin2g (1)

unde h_sa- inaltimea momentana de ridicare

Inaltimea critica de ridicare a supapei se obtine cand perpendiculara din A cade in B si este:

h_cr=(d_sa-d*_sa)/sin2g =(36-31,54)/sin 2·45=4,46mm (2)

cu d_sa= 36 mm - diametrul mare al talerului

d*_sa=31,54 mm - diametrul mic al talerului

In acest caz aria oferita de supapa de admisie este:

A_I=p h_s·cosg d*_sa + 0,5h_ssin2g

= p 4,46 cos45(31,54 + 0,5·4,46·sin2·45)=335mm² (1')

In a doua pozitie, cand h_s>h_cr aria sectiunii oferite de supapa este:

(3)

Aria sectiunii efective a canalului de admisie este:

A_c= p d²₀- d p 31,54² - 7²)/4 =743 mm² (4)

Valoarea inaltimii maxime de ridicare a supapei se determina punand conditia ca

A_IImax = A_c (5) deci :

(6)

4.2 Reducerea maselor elementelor mecanismului de distributie

Masele reduse din mecanismul de actionare se calculeaza aplicand principiul conservarii energiei cinetice si anume: energia cinetica a masei reduse m⁰_S la axa supapei, care se deplaseaza cu viteza v_s este egala cu energia cinetica a tuturor maselor in miscare din mecanismul de comanda:

(7)

Masa redusa la axul supapei va fi:

(8)

in care:

m_s- masa supapei;

m_a- masa arcului;

m_tt- masa ansamblului tija- tachet;

J_cb- momentul de inertie mecanic al culbutorului.

Deoarece nu exista sistemul culbutor-tija impingatoare se neglijeaza in calcul termenii m_t (masa tijei) si J_cb iar i_st=1. Rezulta:

m⁰_s=m_s+m_a/3+m_t=50+30/3+15=75g (9)

cu

m_s= m_tj+m_ta rpd²l_t/4+rpd_st/4=(7,8·10^-3 p 45g (10)

cu d 7 mm - diametrul tijei

l_t=l_s-b_scosg 94,62 -3,154cos45=92,39 mm

d_s=36 mm

t=b_scosg 3,154cos45=2,23 mm

r 7800kg/m³ =7,8·10^-3 g/mm³.

Tinand cont ca in zona de racordare cu talerul tija are un diametru mai mare se adopta: m_s=50g

m_a=m_ae+m_ai 30g (11)

unde m_ae - masa arcului exterior

m_ai - masa arcului interior

m_t=m_tac+m_tal=0+15=15g (12)

cu m_tac=0g - masa tachetului

m_tal=15g - masa taler arc.

Forta de inertie redusa la axa supapei este:

F_is= - m⁰_s·a_s (13)

si are valoarea maxima pentru a_smax:

F_ismax= - m⁰_s·a_smax= -75·10^-3·2200 = 165 N (13')

Masa raportata redusa la axa supapei de admisie se determina cu relatia:

(14)

4.3 Calculul arcului de supapa

Forta maxima care incarca arcul este data de forta de inertie maxima:

F_amax=c_FF_ismax=1,15·165=189,75 N (15)

cu c=1,11,2.

Forta minima care incarca arcul (forta initiala aplicata la montaj) este:

F_amin=F_amax/(1,52,7) (16)

Se adopta

F_amin=F_amax/2=165/2=82,5 N

Trebuie ca

F_amin>pd²_sDp/4=p36²·0,065/4=66,2N  (17)

cu

Dp=0,050,08 MPa. Se adopta Dp=0,065.

Sageata maxima a arcului in functionare este:

f_fmax=h_smax=8,87mm (18)

Constanta elastica a arcului este:

k_arc=F_amax/f_fmax=165/8,87=18,6 N/mm (19)

care se incadreaza in intervalul admisibil k_a=1560N/mm.

Sageata arcului sub actiunea fortei initiale este:

f₀=F_amin/k_arc=82,5/18,6=4,43 mm (20)

Sageata totala a arcului va fi:

f_t=f_o+f_fmax=4,43+8,87=13,3 mm (21)

Eforturile unitare tangentiale maxim si minim se determina cu relatiile:

(22)

Se constata ca:

t_max< t_a=450650 MPa (23)

unde d_sp=35 mm - diametrul spirei; se adopta d_sp=3,5 mm

d_inf=(0,751,0)d_c - diametrul infasurarii

d_c = 31,54 mm - diametrul canalului din chiulasa;

se adopta d_inf=0,875d_c=0,875·31,54=27,6mm

c_b - coeficient ce tine seama de distributia neuniforma a eforturilor in plan transversal al . infasurarii; depinde de raportul b=d_inf/d_sp=27,6/3,5=7,89

se adopta c_b=1,17.

Coeficientul de siguranta al arcului este dat de relatia:

(25)

cu b_kt e_t

t_-1=3..360MPa. Se adopta t_-1=340 MPa

g =1,11,28. Se adopta g

t t_-1 578680MPa. Se adopta t =630 MPa.

g_t=(2t_-1-t₀)/t₀=

Tensiunea medie si amplitudinea tensiunii din arc vor fi:

t_m t_max t_min 2=(265,3+132,7)/2=199MPa

(26)

t_v t_max t_min 2=(265,3-132,7)/2=66,3 MPa

Numarul de spire active este:

i_ac=(f_t·d⁴_sp·G)/(8·F_amax·d³_inf)=(13,3·3,5⁴·8,3·10⁴)/(8·165·27,6³)=3,77  (27)

cu G=8,3 ·10⁴ MPa.

Se adopta

i_ac=4 spire.

Numarul total de spire este:

i=i_ac+1=5 spire.

Lungimea minima a arcului este:

l_min=i·d_sp+(i-1 d_s=5·4+(5 -1)0,3=21,2 mm (28)

cu d_s 0,3mm

Lungimea arcului montat:

l_m=l_min+f_fmax=21,2+8,87=30,07mm (29)

Lungimea libera a arcului:

l₀ = l_m+f_t=48,87 + 13,3=62,17 mm (30)