CALCULUL DE REZISTENTA AL PIESELOR MECANISMULUI MOTOR

CALCULUL DE REZISTENTA AL PIESELOR MECANISMULUI MOTOR

4.1. Blocul motor si chiulasa

Blocul de cilindri preia eforturile de explozie si fortele de inertie ale mecanismului biela manivela. Conditia esentiala pe care trebuie sa o aiba un bloc este aceea de a asigura o rigiditate maxima.

Blocul de cilindri se realizeaza prin turnare. In ce priveste constructia se recomanda ca el sa fie realizat sub forma unei grinzi cu zabrele. Acestea vor fi constituite din nervurile piesei turnate, iar peretii vor fi atat de subtiri cat permite tehnologia de fabricare.

In partea superioara a blocului se fixeaza prezoane pentru prinderea chiulasei. Diametrul lor variaza in limitele F=8.10 mm, iar adancimea de insurubare este de (1,5.2)F cand blocul este din fonta.

Daca eforturile ce trebuie preluate sunt mai mari, atunci se mareste numarul de prezoane nu si diametrul lor.

In jurul camasilor se va cauta sa se faca sectiuni pe cat posibil mai mici pentru trecerea apei, cu scopul de a mari viteza de curgere. Aceasta nu trebuie sa depaseasca insa 3,5 m/s pentru ca exista pericolul antrenarii depozitelor inevitabile ce pot astupa canalele.

Pentru a avea dimensiuni minime pentru carter se descrie infasuratoarea conturului bielei la o rotatie completa apoi se traseaza sectiunea carterului astfel ca locurile cele mai strimte dintre perete si corpul bielei sa fie de minim (8-10) mm din cauza barbotajului si a corpurilor straine

Din motive de rigiditate grosimea peretilor va fi de (4.5-5) mm pentru blocurile turnate din fonta.

Un indice de apreciere a calitatii blocului motor este greutatea acestuia. Se recomanda ca greutatea blocului sa nu depaseasca 25% din greutatea motorului.

Compactitatea motorului este determinata in principal de distanta intre axele cilindrilor; aceasta este determinata de arhitectura arborelui cotit, de lungimea fusurilor maneton si palier, de tipul si grosimea camasilor de cilindru, de marimea interstitiului camerei de racire dintre cilindri.

Blocurile de cilindri se confectioneaza din fonta cenusie Fc200, Fc210, Fc240, Fc250, Fc280 STAS568-87. Daca blocul nu are camasile amovibile el se toarna din fonta de calitate pentru cilindri.

Chiulasa se toarna frecvent din aliaje de aluminiu. Un astfel de aliaj se compune din 5% Si; 1.3% Cu; 0.5% Mg; restul aluminiu.

Chiulasele se toarna din aluminiu si nu se recomanda turnarea sub presiune.

Capacele lagarelor arborelui cotit se toarna din otel pentru motoarele mai putin solicitate si se forjeaza la motoarele mai intens solicitate.

Prezoanele se executa din oteluri aliate, de imbunatatire, cu crom ori nichel.

4.2. Calculul cilindrului motorului

Se alege un cilindru cu camasa umeda care se sprijina in partea inferioara iar etansarea este asigurata cu inele de cupru sau hartie.

La strangerea prezoanelor chiulasei pe suprafata de reazem trebuie sa se dezvolte o presiune de 14.18 MPa.

Lungimea camasii se determina astfel incat mantaua pistonului sa nu depaseasca marginea inferioara cu mai mult de 10.15 mm.

Solutia camerei de racire s-a ales astfel incat sa depaseasca in partea superioara nivelul primului segment de compresie cand pistonul se afla la PMS iar in partea de jos sa depaseasca nivelul segmentului de ungere cand pistonul se afla la PMI.

4.2.1. Calculul grosimii cilindrului

Grosimea cilindrului se determina considerandu-l ca un vas cu pereti subtiri supus la presiune interioara.

In urma calculului termic am obtinut:

N/mm²

In continuare se adopta pentru fonta cenusie: Fc280

daN/cm²

   

4.3. Calculul arborelui cotit

4.3.1. Stabilirea dimensiunilor. Constructia

Avand in vedere conditiile de functionare, prin calcul, arborele cotit se verifica la presiune specifica si incalzire, la oboseala si la vibratii de torsiune.

Calculul arborelui cotit are un caracter de verificare, dimensiunile lui adoptandu-se prin prelucrarea statistica a dimensiunilor arborilor cotiti.

Se adopta urmatoarele dimensiuni:

- lungimea cotului sau distanta dintre reazeme:    l = 100 mm;

- lungimea fusului palier: l _p = 34 mm;

- diametrul fusului palier: D_p = 48 mm;

- lungimea fusului maneton: l _m = 26 mm;

- diametrul fusului maneton:    D_m = 40 mm;

- grosimea bratului: h = 17 mm;

- latimea bratului: b = 60 mm;

- raza de racordare: r = 3 mm.

Dimensiunile adoptate sunt prezentate in figura 4.1.

Fig. 4.1.

4.3.2. Verificarea fusurilor la presiune si uzura

Verificarea la presiune

- presiunea specifica conventionala maxima pe fusul maneton este:

, unde:

- rezultanta pe fusul maneton;

- presiunea specifica conventionala maxima pe fusul palier este:

, unde:

- rezultanta pe fusul maneton;

Verificarea la uzura

- coeficientul de uzura al manetonului se calculeaza cu relatia urmatoare:

, unde:

x - coeficientul de corectare a vitezei relative

x

n - turatia de calcul (n _{p max} = 5800 min ^-1)

Deci pentru cuzinetii de biela se va adopta ca material un aliaj Al - Sn cu k _m > 300.

- coeficientul de uzura al palierului se calculeaza cu relatia urmatoare:

Cuzinetii de palier se executa din acelasi material ca si cuzinetii de biela (Al - Sn).

4.3.3. Verificarea la oboseala a fusului maneton

Calculul manetonului se face la incovoiere si la torsiune.

Calculul la incovoiere

Momentul incovoietor apare datorita fortelor T si Z si a celor de inertie a bratelor. Din diagrama fortelor rezultante avem:

R _{m max} = 35949,14 N

R _{m min} = 2210,82 N

Din geometria fusului maneton calculam modulul de rezistenta W ^'

Se aduce o corectie acestui modul datorita canalelor de ungere care au diametrul d _u = 8 mm.

Tensiunea de incovoiere se calculeaza cu relatia:

, unde:

Deci vom avea la a

Deci vom avea

M _i =0 la a = 360 ⁰ si la a

Coeficientul de siguranta pentru solicitarea de incovoiere se calculeaza cu relatia:

, unde:

;

;

b _{k s}

g _r

e _s

Y _s

s = 280 N / mm ²

Calculul la torsiune

;

;

T_{s max} = 8230,52 N

T_{s min} = -6671,9 N

Coeficientul de siguranta la torsiune se calculeaza cu relatia:

, unde:

, ,

;

;

Coeficientul de siguranta global va fi:

4.3.4. Verificarea la oboseala a fusului palier

Calculul la oboseala se face fara a lua in considerare tensiunile de incovoiere.

;

;

Dupa corectia adusa datorita gaurii de ungere d _u = 8 mm, modulul de rezistenta va fi:

M _{p max} = 461, N*m; M _{p min} = -93,07 N*m;

Coeficientul de siguranta va fi:

, unde:

, , ,

c = 4,08 > c _admisibil = 3

4.3.5. Verificarea la oboseala a bratului manivelei

Bratul arborelui cotit este supus la solicitari variabile de incovoiere, intindere, compresiune si torsiune.

Coeficientul de siguranta se determina la mijlocul laturii mari a sectiunii tangente la fusul palier.

, unde: iar ;

;

,

unde: Z _{s max} = 18325,26 N;

Z _{s min} = -15266,07 N;

b = 60 mm;

h = 17 mm;

a = 15 mm;

;

;

Coeficientul de siguranta va fi:

, unde:

, , , ;

La torsiune vom avea:

, unde:

T _max = 8230 N;

T _min = -6671,9 N;

Deci vom avea:

;

;

Cu aceste valori calculate vor rezulta:

;

;

Coeficientul de siguranta la torsiune se determina cu relatia urmatoare:

Coeficientul global de siguranta este:

4.4. CALCULUL PISTONULUI

4.4.1. Dimensiunile principale

Se alege un piston cu fusta scurta, din considerente de reducere a fortelor de inertie care actioneaza asupra arborelui cotit. Forma constructiva a pistonului este prezentata in figura 4.2.

Fig. 4.2.

Se adopta urmatoarele dimensiuni constructive ale pistonului:

D = 80 mm;

H _c = 66 mm;

h = 5 mm;

h _c = 2,5 mm;

d = 8 mm;

L _m = 46 mm;

L _p = 20 mm;

D _{c i} = 22 mm;

b = 22 mm;

d = 68 mm;

c = 60 mm;

Se adopta ca material Si2CuMgNi, matritat, cu urmatoarele proprietati:

- conductivitatea termica: ;

- coeficient de dilatare termica: ;

- modulul de elasticitate ;

- duritate: - la 293 K 90 120 HB;

- la 523 K 30 40 HB;

- rezistenta de rupere la tractiune: - la 293 K 280 320 N / mm²;

- la 523 K 100 140 N / mm²;

- alungirea relativa de 1 3 %;

- rezistenta de rupere la oboseala: - la 293 K 110 140 N / mm²;

- la 523 K 95 N / mm²;

4.4.2. Calculul capului pistonului

Capul pistonului se verifica in ipoteza ca acesta este o placa circulara incastrata pe contur, de grosime constanta, incarcata cu o sarcina uniforma, data de presiunea maxima a gazelor din cilindru.

, unde: ;

D _{c i} = 22 mm;

d = 8 mm;

;

(p _{a d} are valoarea corespunzatoare pentru aliaje de Al).

4.4.3. Calculul zonei port - segmenti

Solicitarile umarului port-segment (L _p-L _m) sunt incovoierea si forfecarea. Tensiunea la incovoiere: , unde:

;

h _c = 2,5 mm;

p _{g max} = p _max , p _max = 6,67 N / mm ²;

Deci se obtine tensiunea de incovoiere:

;

Tensiunea de forfecare: ;

Efortul unitar echivalent: ;

< s _{a d}

;

In dreptul segmentului de ungere se face o verificare la compresie datorita canalelor practicate in piston, cu scopul ungerii:

, unde;

, .

4.4.4. Calculul mantalei pistonului

Se verifica mantaua astfel incat presiunea specifica (p_mt), sa nu depaseasca o anumita valoare, determinata conventional, pentru a preveni intreruperea (sau ruperea) peliculei de ulei. Presiunea specifica se calculeaza cu urmatoarea relatie:

, unde:

A _{e v} = aria suprafetei proiectate a portiunii evazate;

;

Deci p _{m t} va avea valoarea:

< p _{a d;} ( pt. turisme ).

Pentru asigurarea unei functionari normale a pistonului este necesar ca jocul relativ in stare calda intre piston si cilindru sa fie:

- f's = 0,002.0,003 in partea superioara a pistonului;

- f'i = 0,001.0,002 in partea inferioara a mantalei.

4.5. CALCULUL BOLTULUI

Boltul de piston este solicitat in timpul lucrului de o sarcina mecanica variabila ca valoare si sens iar in unele perioade de functionare a motorului caracterul solicitarii se apropie de cel de soc. Miscarea oscilanta si temperatura relativ ridicata de la umerii pistonului determina conditii nefavorabile pentru realizarea unei frecari lichide: de aici si uzura accentuata a boltului. Aceste conditii impun ca miezul de bolt sa fie tenace, cu strat superficial dur si un grad de netezime foarte mare. In functie de otelul din care se executa, boltul de piston se cementeaza la suprafata pe o adancime de 0,5.2 mm ori se caleste superficial prin C.I.F. pe o adancime de 1.1,5 mm. Duritatea stratului superficial trebuie sa fie H_RC=58-65 , iar a miezului H_RC=36.

Pentru calcul, boltul se considera o grinda pe doua reazeme incarcata cu o forta uniform distribuita pe lungimea piciorului bielei. Schema de incarcare se vede in figura. Conventional forta ce actioneaza asupra boltului se considera a fi forta maxima de presiune a gazelor diminuata de forta de inertie data de masa pistonului.

4.5.1. Adoptarea dimensiunilor principale si a materialului

Se adopta un bolt flotant, prezentat in figura 4.3.

Dimensiunile prezentate in figura sunt urmatoarele:

- d _{i b} = 14 mm;

- d _{e b} = 22 mm;

- l = 68 mm;

- l _b = 28 mm;

- l _p = 18 mm;

- j = 2 mm;

Fig. 4.3.

Se alege ca material un otel aliat, de cementare, 16MnCr5, care are urmatoarele proprietati:   

- modulul de elasticitate ;

- limita de curgere ;

- limita de rupere la tractiune .

4.5.2. Verificarea la uzura

Se calculeaza forta ce actioneaza asupra boltului ca fiind forta maxima de presiune a gazelor, diminuata de forta de inertie a ansamblului piston. Cu aceasta forta calculata se verifica daca presiunile pe suprafata piciorului bielei, respectiv pe suprafata umerilor pistonului, sa fie mai mici decat valorile admisibile pentru aceste presiuni.

, unde:

m _p = 0,65 kg;

r = 0,0415 m = 41,5 mm;

w = 565,49 s ^-1 ( s-a calculat la cap. 4.1.3. )

l = 0,28

Se va obtine ;

Presiunea pe suprafata boltului cu piciorul bielei:

;

Presiunea pe suprafata umerilor pistonului:

.

4.5.3. Verificarea la incovoiere

Efortul unitar de incovoiere maxima a boltului este:

, unde:

F = 24849,7 N; l _b = 28 mm;

j = 2 mm; d _{e b} = 22 mm;

Verificarea la incovoiere se face in conditiile solicitarii variabile a boltului. In acest sens, in capul boltului flotant, incarcarea variaza dupa un ciclu simetric.

Coeficientul de siguranta la oboseala este:

, unde:

; ;

;

;

;

Deci < 2,2 (valoarea maxima admisa).

4.5.4. Verificarea la forfecare

Verificarea se face in sectiunile dintre partile frontale ale bosajelor pistonului si piciorul bielei.

, unde:

F = 24849,7 N; d _{i b} = 14 mm; d _{e b} = 22 mm;

t < t _{a d} = 220 N / mm ².

4.5.5. Calculul la ovalizare

Se considera boltul ca fiind o grinda curba in sectiune transversala, incarcata cu o sarcina distribuita sinusoidal.

Deformatia maxima de ovalizare se produce intr-un plan normal pe axa boltului.

, unde:

l = 58 mm (lungimea totala a boltului)

,

Fortele care actioneaza asupra boltului sunt prezentate in figura 4.4.

Fig. 4.4

4.6. Calculul segmentilor

In ansamblul lor segmentii realizeaza etansarea pe baza efectului de labirint, cu alte cuvinte spatiile dintre segmenti permit destinderea treptata a gazelor si prelungesc drumul parcurs de acestea. Astfel in zona ultimului segment viteza de curgere si cantitatea de gaze scad pana la valori practic neglijabile

Se considera o eficienta normala, daca presiunea gazelor dupa ultimul segment reprezinta 3-4% din valoarea presiunii in cilindru, iar volumul de gaze scapate este cuprins intre 0,2.1% din volumul incarcaturii proaspete admise in cilindri. Aceste valori se determina experimental.

Calculul segmentului urmareste stabilirea urmatoarelor obiective: determinarea presiunii medii elastice pentru stabilirea formei segmentului in stare libera si montata: determinarea celor doua dimensiuni de baza a segmentului: verificarea eforturilor unitare ce apar in segment la deschiderea lui astfel incat la montaj sa nu depaseasca valoarea admisibila: determinarea jocurilor la rece si la cald precum si verificarea rosturilor la cald pentru a preveni impactul intre capete in timpul functionarii.

Presiunea medie elastica:

   

Realizarea unei anumite repartitii a presiunii segmentului asupra oglinzii cilindrului impune o curbura variabila a fibrei medii a segmentului in stare libera. Trasarea fibrei medii a segmentului in stare libera se poate face luand in consideratie deplasarile relative radiale si unghiulare.

Verificarea eforturilor unitare de montaj:

   

La montaj prin desfacerea segmentului in sectiunea opusa capetelor apar tensiuni unitare maxime care trebuie calculate pentru a preveni ruperile.

   

   

   

Valorile admisibile pentru s'max = (4000.4500) N/mm²

4.7. Calculul bielei

4.7.1. Calculul piciorului bielei

Biela se executa din otel aliat 41MoCr11

In piciorul bielei in timpul functionarii iau nastere tensiuni de intindere datorita fortei de inertie a ansamblului piston.

Masa bielei:

Masa piciorului:

Masa capului:

Masa capacului de biela:

_{Fig. 4.7}

Eforturile unitare de intindere determinate de momentul incovoietor si forta normala calculate anterior sunt:

k reprezinta un coeficient ce tine seama de faptul ca forta Nc este preluata nu numai de piciorul bielei ci si de bucsa presata in ea.

   

   

Piciorul bielei, asa cum s-a precizat este solicitat si la compresiune de forta Fc.

In ipoteza ca aceasta se repartizeaza dupa o lege sinusoidala pe jumatatea inferioara a piciorului bielei, se vor obtine niste eforturi unitare de compresiune in fibra interioara si exterioara cu o variatie precizata.

In sectiunea de incastrare C-C va apare un moment incovoietor M'c calculabil cu urmatoarele relatii:

Eforturile de compresiune in piciorul bielei vor fi:

- in fibra exterioara

   

- in fibra interioara

   

   

   

   

_{Coeficientul de siguranta se calculeaza cu relatia:}

   

   

   

   

4.7.2. Calculul corpului bielei

Calculul corpului bielei se face in cel putin doua sectiuni: in sectiunea mediana I-I, iar daca sectiunea variaza pronuntat in lungul corpului bielei se face calculul si pentru sectiunea II-II.

Corpul bielei este solicitat la intindere compresiune si flambaj.

Efortul unitar de intindere se calculeaza cu formula:

- pentru sectiunea I-I:

- pentru sectiunea II-II:

Efortul unitar de compresiune se calculeaza astfel:

In sectiunea I-I forta Fc poate provoca flambajul bielei. Eforturile la flambaj in cele doua plane sunt aproximativ egale pentru dimensiuni ale sectiunilor judicios alese; considerand corpul bielei ca o bara articulata la capete eforturile de flambaj sunt:

Efortul unitar la intindere in corpul bielei in sectiunea medie este:

4.7.3. Calculul capului bielei

Capul bielei se verifica la intindere sub actiunea fortei de inertie.

Ipotezele de calcul sunt:

- forta de inertie se repartizeaza pe capac dupa o lege sinusoidala;

- sectiunea periculoasa se afla in dreptul locasurilor suruburilor de biela;

- capul bielei este o bara curba continua, capacul fiind montat cu strangere;

- cuzinetii se deformeaza impreuna cu capacul bielei preluand o parte din efort proportional cu momentul de inertie al sectiunii transversale;

In aceasta situatie efortul unitar de intindere in fibra interioara este:

Se adopta:

- momentul de inertie al capacului:

- momentul de inertie al cuzinetului:

- aria sectiunii capacului:

- aria sectiunii cuzinetului:

- momentul de rezistenta al capacului:

Coeficientul de siguranta pentru ciclul pulsator:

Deformatia capacului bielei:

4.7.4.Calculul suruburilor de biela

Suruburile de biela sunt solicitate la intindere de forta initiala Fsp si de forta de inertie a maselor in miscare de translatie si a maselor in miscare de rotatie care se afla deasupra planului de separatie dintre corp si capac.

Suruburile de biela se executa din otel aliat pentru imbunatatire 17CrNi12.

Pentru a asigura strangerea necesara cuzinetilor, forta de strangere initiala a suruburilor trebuie sa fie mai mare decat forta de inertie care revine unui surub.

Tinand seama de fortele ce solicita suruburile de biela, acestea se dimensioneaza tinand seama de solicitarea la intindere si se verifica la oboseala.

Diametrul fundului filetului se determina cu relatia:

_{Se adopta ds=8 mm.}

unde:

- coeficient de siguranta;

- factor ce tine seama de solicitarile la torsiune

- factor ce tine seama de curgerea materialului

- limita de curgere a materialului suruburilor

Diametrul partii nefiletate:

Verificarea la oboseala se face tinand cont de solicitare, care este pulsatorie.

Coeficientul de siguranta: