CATEGORII DOCUMENTE |
Aeronautica | Comunicatii | Electronica electricitate | Merceologie | Tehnica mecanica |
Constructia si calculul arborelui cotit
In procesul de lucru, arborele cotit preia solicitarile variabile datorate fortei de presiune a gazelor si de inertie ale maselor in miscare, incarcari care solicita intens organul; acesta este unul vital in buna functionare a motorului.
1. Rol functional
Arborele cotit este organul mobil care indeplineste functiile:
transforma, prin intermediul bielei, miscarea de translatie a pistonului in miscare de rotatie;
transmite consumatorului (elice, generator) momentul motor efectiv generat de forta de presiune a gazelor;
insumeaza lucrul mecanic dezvoltat pe fiecare cilindru.
Arborele cotit se compune dintr-o succesiune de coturi in numar egal cu i (numarul de cilindri la motoarele in linie) sau i/2 (pentru motoarele cu cilindri in V). La randul sau, un cot al arborelui cotit se compune din fus palier, fus maneton si brat.
Fusul palier reprezinta, impreuna cu lagarul din motor, elementul de sprijin prin care se asigura transmiterea fortelor si momentelor de dezechilibru ale motorului catre rama de fundatie si de acolo catre structura de rezistenta a motorului.
Fusul maneton face legatura cu restul echipamentului mobil prin intermediul bielei, al carei cap se monteaza pe acest fus.
Bratele sunt elemente de legatura intre cele doua fusuri.
In functie de solutia tehnica de echilibrare aleasa in prelungirea bratelor (partea dinspre palier) se pot afla contragreutati calate corespunzator. Partea prin care se transmite momentul motor efectiv consumatorului se numeste partea posterioara a arborelui cotit, in timp ce partea opusa se numeste parte frontala. La motoarele navale de propulsie si, uzual la auxiliare, partea frontala si posterioara corespund directiei prova-pupa.
La partea posterioara se afla volantul de uniformizare a miscarii de rotatie a arborelui cotit, a carei coroana dintata poate intra in angrenare cu virorul. Spre partea frontala se afla o roata dintata ce transmite miscarea catre sistemul de distributie (arborele cu came).
La motoarele semirapide de puteri mici, arborele cotit angreneaza si unele agregate de pe sistemele aferente motorului (pompa de ungere, racire, agregatul de supraalimentare, etc.). La unele motoare navale, la partea frontala (capatul liber al arborelui cotit) se poate monta un amortizor de vibratii torsionale (uzual de tip Holset), iar la cele moderne si pentru vibratii axiale.
2. Materiale si tehnologie de fabricatie
Arborele cotit poate fi din otel sau fonta:
oteluri carbon de calitate: OLC 35, OLC 45, STAS 880-80;
fonta perlitica cu grafit nodular;
oteluri aliate cu Cr, Ni, V, cu rezistenta la rupere superioara, dar mai costisitori.
In general, arborii cotiti ai motoarelor navale se executa din otel prin forjare, sau din otel prin turnare libera sau in matrite.
Arborii obtinuti prin turnare au avantajele:
avantaj datorat procedeului (mai simplu, mai rapid, mai economic);
avantaj al materialelor: fonta are calitati de turnare mai ridicate;
proprietati antifrictiune.
Dupa realizarea tehnologica amintita, arborele cotit este supus tratamentelor termice: calire prin curenti de inalta frecventa (CIF), urmata de revenire si normalizare si apoi nitrurare (tratamente termochimice).
3. Solicitari
Asupra arborelui cotit actioneaza, cumulat, forta de presiune a gazelor () si fortele de inertie si momentele acestora. Pe componentele arborelui cotit, in principal, aceste solicitari sunt:
palier: torsiune;
maneton: incovoiere si torsiune;
brat: intindere, incovoiere, torsiune, comprima-re.
Toate aceste solicitari au un caracter variabil, conducand la instalarea fenomenului de oboseala si a fenomenelor vibratorii ale arborelui cotit.
1. Intinderea si comprimarea pot fi neglijate, datorita alegerii uzuale a unei solutii supradimensionate a arborelui cotit.
2. Incovoierea. Efectul incovoierii este pierderea coaxialitatii fusurilor palier; o masura a pierderii coaxialitatii este asa-numita abatere de la paralelismul bratelor de manivela.
Cauzele acestui fenomen sunt: rigiditatea slaba a bratelor de manivela si uzura lagarelor.
3. Torsiunea (rasucirea). Este caracteristica oricarui arbore aflat in miscare de rotatie.
Figura 1 prezinta deformatiile complexe pe care le suporta un cot de manivela. Astfel, considerand o manivela a arborelui cotit asupra careia actioneaza momentul de torsiune variabil (fig. 1,a), se constata ca aceasta are tendinta sa se deformeze atat torsional, cat si in plane paralele cu xOz (deformatii de incovoiere); actionand acum asupra fusului maneton cu o forta variabila, situata in planul manivelei (fig. 1,b), se constata tendinta de deformare in planul yOz (deformatii de incovoiere), cat si deformatii axiale, in lungul axei Oz.
Fig. 1
Fig. 1
4. Oboseala. Cele doua solicitari au caracter variabil, de unde si posibilitatea instalarii oboselii. Finalitatea verificarii la oboseala consta in compararea coeficientului de siguranta la oboseala cu un coeficient de siguranta admisibil:
, (1)
|
cu indicii si specifici incovoierii, respectiv torsiunii; astfel definit (1), coeficientul de siguranta este raportul dintre o tensiune rezultata dintr-o solicitare intr-un ciclu teoretic ce reprezinta limita admisibila a fi atinsa in exploatare si solicitarea maxima din ciclul motor.
In alegerea solutiei constructive de arbore cotit se tine cont de factorii ce influenteaza oboseala:
. (2)
De aici, factorii de care depinde oboseala sunt:
concentratorii
de tensiune exprimati prin coeficietul
concentratorilor de tensiune ; concentratori de tensiune reprezinta orificiul de ungere si
zonele de racord dintre brat si fus; influenta concentratorului se reduce
practicand degajari sau racordari cat mai mari in zona dintre brat si fus;
figura 2 reda influenta racordarii asupra lungimii portante a fusului (fig.
2,a, c, d, e) si a rezistentei cotului la oboseala (fig. 2,b); pe de alta
parte, este necesara limitarea razei de racordare din urmatoarele
motive: cresterea ei determina scaderea lungimii portante a fusului (fig. 2,a),
care are marimea , unde -lungimea fusului si -spatiul de garda ; peste o anumita limita, raza nu mai influenteaza
practic rezistenta la obo-
Fig. 2
seala (fig. 2,b); racordarea dupa un sfert de elipsa (fig. 2,c) diminueaza la minimum efectul de concentrare a tensiunilor, dar se aplica rar, deoarece micsoreaza mai mult lungimea portanta si este mai dificil de executat; pentru ca sa nu scada inadmisibil, racordarea este realizata adesea prin doua arce de cerc, ale caror raze cresc de la fus spre brat (fig. 2,d); marirea lungimii se obtine cand racordarea se executa cu o degajare in brat (fig. 2,e), dar solutia slabeste sectiunea bratului, de aceea se utilizeaza mai frecvent racordarea cu degajarea practicata in fus, care, desi scurteaza lungimea , imbunatateste considerabil rezistenta la oboseala (fig. 2,c si d);
|
forma si dimensiunile arborilor exprimate prin coeficientul dimensional ; valoarea sa depinde de dimensiunile caracteristice;
calitatea suprafetei si procedeele tehnologice utilizate se exprima prin coeficientul starii suprafetei ;
natura ciclului de solicitare, exprimata prin rezistentele admisibile prin ciclu alternant simetric, respectiv pulsator: .
natura materialului exprimata prin coeficientul de material , care se poate scrie in functie de valorile anterioare:
. (3)
5. Vibratiile arborelui cotiti. Deoarece arborele cotit este un sistem elastic, iar solicitarile mentionate au un caracter variabil, arborele cotit va intra in vibratie. Principalele tipuri de vibratii ale arborilor cototi sunt:
vibratii torsionale: se produc intr-un plan perpendicular pe axa de rotatie;
vibratii de incovoiere: se produc in planul cotului;
vibratii axiale: se produc in lungul axei de rotatie.
In realitate, aceste tipuri nu apar izolat ci prezinta fenomenul de cuplaj intre ele (fig. 1). Limitarea fenomenului vibratoriu se face, in general, prin evitarea functionarii motorului la turatia critica (corespunzatoare frecventei proprii de vibratie a arborelui cotit).
|
|
Vom prezenta sumar in continuare fenomenul
vibratoriu torsional, cel mai frecvent. Notam frecventa proprie de vibratie a motorului; pentru evitarea
fenomenului de rezonanta, este de dorit ca turatia sa fie scoasa in afara
zonei turatiei de lucru a motorului, fie inainte de turatia minima a motorului,
fie dupa cea maxima. Primul caz este mai dezavantajos, deoarece la fiecare
pornire se trece prin turatia critica.
Fig. 3
Pentru determinarea prin calcul a pulsatiei proprii a arborelui cotit se porneste, gradat, prin sisteme torsionale oscilante echivalente, de la cel simplu, la cel general.
Prima etapa o constituie sistemul oscilant monodimensional, cu un singur disc echivalent unui singur mecanism motor (fig. 3), cu diametrul D, moment de inertie mecanic J, dat de relatia:
. (4)
Discul este legat de un perete printr-un tronson elastic fara masa, de lungime l si diamteru d, cu rigiditate torsionala:
, (5)
unde -modulul de elasticitate transversal, -momentul de inertie polar al sectiunii transversale:
, (6)
de unde valoarea pulsatiei proprii a sistemului:
. (7)
Etapa urmatoare o constituie motorul monocilindric (fig. 4), pentru care sistemul oscilant torsional echivalent este format din doua discuri, unul corespunzand mecanismului motor si celalalt volantului; pentru acest sistem oscilant bidimensional, pulsatia proprie este:
. (8)
|
Pentru sistemul cu 3 discuri (fig. 5) se mai poate determina analitic ; in acest caz avem doua pulsatii proprii, corespunza-toare celor doua moduri de vibratie specifice.
Pentru sisteme n-
|
dimensionale, corespunzatoare motoarelor policicindrice, se considera intreaga linie de arbori (inclusiv propulsorul); se determina sistemul oscilant echivalent si, prin tehnici de calcul moderne, se determina cele n-1 pulsatii proprii, respectiv turatiile critice, de rezonanta, corespunzatoare; figura 6,a prezinta linia de arbori completa a unui motor naval semirapid de propulsie, iar figura 6,b sistemul oscilant echivalent si modurile proprii de vibratie torsionala.
In toate cazurile se constata ca atunci cand masa discurilor creste (deci si creste), scade. Va apare pericolul fenomenului de rezonanta inainte de atingerea zonei de turatie nominale a motorului. Scoaterea acestor rezonante periculoase se face, conform celor mentionate anterior, in conditii de exploatarea, prin montarea unui amortizor de vibratii torsionale; figura 7 prezinta diagrama de turatii critice a liniei de arbori a motorului Sulzer 6RND90.
4. Solutii constructive
Distributia coturilor. Coturile sunt distribuite in lungul axei de rotatie, intre ele existand uzual la motoarele navale, cate un fus palier, cat si in jurul axei de rotatie. Aceasta ultima distributie este data de conditia uniformitatii aprinderilor si de conditia unei solutii optime de echilibrare.
|
2. Fusurile. Se construiesc astfel ca suprafata portanta sa fie cat mai mare; diametrele fusurilor: -diametrul fusului palier si -diametrul fusului maneton sunt egale, pentru cazurile generale (cilindri echidistanti); lungimile celor doua tipuri de fusuri sunt aproximativ egale: , desi marirea diametrului majoreaza masele in miscare de rotatie si reduce frecventele proprii ale arborelui, preferandu-se solutia .
Lungimile fusurilor palier depind de incarcarea acestui; adesea, palierul de mijloc este mai lung decat celelalte, deci nu se mai respecta conditia echidistantei cilindrilor, mai ales cand arborele cotit nu mai este unitar (este compus din doua bucati).
Fusurile maneton au aceeasi lungime , datorita identitatii bielelor prinse direct pe ele; la motoarele in V, lungimea fusului se mareste corespunzator (capitolul 9).
O constructie simpla se obtine daca fusurile arborelui cotit nu au canale axiale (cazul uzual al motoarelor navale). Pentru a micsora insa masa arborelui si fortele de inertie, se recurge la gaurirea axiala a fusurilor, ceea ce conduce la ameliorarea comportamentului la oboseala, golurile din lungul fusurilor determinand o distributie mai favorabila a fluxului de forte, efect ilustrat de figura 8: rezistenta la oboseala datorata torsiunii creste de la forma plina (fig. 8,a), la cea cu fusuri cu gauri cilindrice (fig. 8,b si c, la aceasta din urma constatandu-se si efectul pozitiv al maririi latimii bratului); solutiile cu goluri in forma de butoi sunt si mai eficiente (fig. 8,d, e si f), la cresterea rezistentei la oboseala contribuind si latirea bratului, pana la aducerea la forma ovala.
Mentionam ca prin practicarea gaurii fusului maneton excentric (spre periferia bratului) se atenueaza efectul concentrarii tensiunilor la trecerea de la forma fusului spre brat.
3. Bratele. Figura 9 reda cateva forme consacra-te de brate ale arborelui cotit.
La motoarele lente, bratele pot avea forma dreptunghiulara (fig. 9,a), ceea ce asigura stabilitate constructiei; pentru reducerea masei, se
|
Fig. 8
|
Fig. 9
Fig. 12
Fig. 10
Fig. 8
elimina insa zonele care nu participa la transmiterea eforturilor (fig. 9, b d). Pentru marirea lungimii fusurilor (reducerea uzurii), in cadrul distantei fixate dintre doua coturi consecutive, se recurge la micsorarea grosimii a bratelor, realizand sectiunea necesara prin cresterea latimii lor , obtinandu-se brate cu forme ovale (fig. 9,e) sau circular (fig. 9,f), specifice motoarelor navale semirapide, ultima forma asigurand si o mai buna comportare la oboseala.
In scopul micsorarii efectului de concentrare a tensiunilor la trecerea dintre fus si brat, fusurile se pot racorda cu bratele, asa cum s-a prezentat anterior, sau cu praguri intermediare de latime , ca in figura 9,a; prin figura 9,b se indica si o solutie de strapungere a bratului in vederea asigurarii ungerii fusurilor.
O influenta pozitiva asupra rezistentei la oboseala este data de acoperirea sectiunilor fusurilor palier si maneton (fig. 10); eficienta solutiei se apreciaza prin marimea a acoperirii:
, (9)
Fig. 11
|
|
R |
Intrare ulei
cu -raza de manivela; acoperirea se practica la motoarele navale in patru timpi; cresterea acoperirii conduce la cresterea rezistentei la oboseala, micsorarea grosimii , fara a mari latimea .
4. Contragreutatile. Efectul acestora este contra-dictoriu Aspectul pozitiv este reprezentat de elementele:
se echilibreaza fortele de inertie ale maselor aflate in miscare de rotatie;
se descarca palierele intermediare de momentele interne;
la acelasi grad de uniformitate a miscarii de rotatie a arborelui cotit, masa volantului va fi mai mica.
Efecte negative:
prin utilizarea contragreutatii creste masa si scade pulsatia proprie ;
complicatia tehnologica si constructiva.
Fig. 11
|
Contragreutatile pot fi demontabile sau pot face corp unic cu bratul. Figura 11 prezinta o solutie de fixare a contragreutatilor detasabile, fixate pe bratele arborelui cu suruburi, calate corespunzator solutiei de echilibrare; daca se practica prinderea contragreutatilor prin coada de randunica (fig. 11,a), suruburile sunt incarcate numai de forta de strangere, contragreutatea fiind prevazuta cu o taietura, pentru marirea elasticitatii; in unele cazuri, suruburile sunt solicitate si de forta centrifuga a contragreutatii si se pot descarca de componenta tangentiala a acesteia prin praguri (fig. 11,b), danturi triunghiulare (fig. 11, c) sau bucse de centrare (fig. 11, d); pentru asigurarea suruburilor, se prevad sigurante de tabla 1, sau puncte de sudura 2; solutia cu etrier introdus intr-o degajare din brat si strans cu suruburi (fig. 11,e) este mai rar intalnita.
5. Ungerea arborelui cotit. Se realizeaza in regim hidrodinamic, lubrifiantul fiind adus sub presiune pe suprafata fusurilor. Figura 12 ilustreaza principiul ungerii hidrodinamice a unui fus incarcat cu rezultanta R distribuita neuniform pe suprafata fusului; initial, presiunea in jurul circumferintei fusului creste spre zona cu jocul cel mai redus, pentru ca apoi sa scada si sa atinga valori negative
Fig. 13
|
dupa planul radial determinat de punctul cu joc minim, in apropierea caruia se obtine si presiunea maxima; figura ilustreaza si distributia presiunii filmului de ulei in lungul fusului.
Ungerea fusurilor maneton se realizeaza prin intermediul unor orificii de ungere; uneori acestea pot strabate bratele, asigurandu-se si ungerea palierelor (fig. 9,b). La unele motoare palierele se ung separat. Orificiul de ungere reprezinta un concentrator de tensiune. Pentru ameliorarea situatiei, se poate ingrosa peretele fusului in zona orificiului, se poate practica o gaura excentrica, sau se poate ecruisa marginea orificiului. In toate cazurile se recomanda ca orificiul de curgere sa fie practicat in zona uzurii minime.
6. Lungimea arborelui cotit: Este de dorit o lungime cat mai mica, aceasta prezentand avantajul scaderii masei, deci a cresterii lui . Lungimea este dependenta de numarul de cilindri, distanta dintre ei, alezaj, etc. Efectul negativ al reducerii lungimii este micsorarea suprafetei de contact a fusurilor in lagar, cu efecte negative asupra ungerii. Pentru cresterea suprafatei portante se poate recurge la cresterea diametrului fusului, insotita de cresterea masei si scaderea lui . La motoarele auxiliare, cresterea diametrului fusului maneton este limitata de posibilitatea demontarii si extragerea bielei prin cilindru. O alta posibilitate de crestere a suprafetei portante este cresterea lungimii arborelui cotit.
Fig. 14
Fig. 15
Figura 13 prezinta un arbore cotit al unui motor naval in patru timpi cu i=8 cilindri in linie, puterea de 300 CP si turatia de 275 rot/min, realizat in constructie forjata unitara.
Proiectarea arborelui cotit aferent noilor generatii de motoare din seria Sulzer RTA, cu specificitatea unui raport foarte mare cursa/diametru a ridicat unele probleme tehnice noi. Una dintre acestea este legata de faptul ca organul este mai zvelt, mai elastic (fig. 14), cu o puternica distantare intre axele fusului maneton si palier (raza de manivela mare), astfel ca nu a fost posibila extrapolarea completa a cunostintelor dobandite din seriile de motoare cu cursa scurta, referitor la forma, rigiditate, etc., la motoare cu raport cursa/diametru mai mari de 3.
|
Obiectivele proiectarii unui asemenea arbore cotit sunt rezistenta mecanica, comportament corespunzator la vibratii, reducerea greutatii si costurilor de fabricatie.
|
Punctul de plecare in stabilirea formei optime a organului a constituit-o modelarea cu metoda elementelor finite (MEF) a unui cot al arborelui cotit (fig. 15), urmand asamblarea pentru constituirea unui model al intregului arbore al motorului policilindric (fig. 16). Se pot determina tensiunile in zonele critice, cum ar fi cele de racordare brat-fus. Pentru cazul concret al motorului RTA96C, solutia imbunatatita a formei unui brat al arborelui cotit, fata de solutia de baza RTA84C, este redata in fi-
Fig. 19
Fig. 16
Fig. 17
|
gura 16. Pentru a ilustra forma constructiva reala si dimensiunile de gabarit ale unui asemenea arbore cotit aferent motorului 11RTA96C, executat din doua tronsoane, se prezinta o vedere a reperului respectiv la montaj in figura 18.
|
|
7. Echiparea extremitatilor arborelui cotit. La partea frontala se monteaza dispozitive compensatoare, absorbitoare, sau amortizoare de vibratii. Figura 19 reda schema de montaj a unui a-
High Tech RTA fig. 15 |
|
|
Fig. 21
|
Fig. 22
mortizor de vibratii axiale, mentionat in cele anterioare, montat la capatul liber al arborelui coti al motorului 11RTA96C si in rama de fundatie a motorului, iar figura 20 indica modificarea domeniului de rezonanta la vibratiile axiale ale acestui motor.
La extremitatea posterioara, spre consumator, este prevazut un montaj pentru volant si flansa de cuplare cu consumatorul.
In figura 21 se prezinta un volant tip disc realizat din doua bucati si prevazut cu ghidaj inelar pentru antrenarea cu virorul; in figura s-au notat cu a-buloanele de prindere a celor doua parti; b-bolturi; c-pana transversala; d-caneluri; e-canal pentru cheia de tensionare a bolturilor; f-sector inelar de angrenare cu virorul.
Tot in aceasta extremitate a arborelui se afla lagarul de impingere (lagar axial, tip Michell); montajul se face uzuzal, pe un tronson de impingere de pe linia axiala, dupa acesta urmand succesiunea de arbori intermediari si finalizand cu arborele port-elice (pentru motor de propulsie); lagarul axial are rolul primordial de a atenua fluctuatiile impingerii elicei.
Arborele de impingere este deci, uzual, cuplat rigid atat cu arbore cotit, cat si cu primul arbore intermediar, iar volantul de uniformizare a miscarii de rotatie a arborelui cotit se monteaza pe acest arbore de impingere; flansa lagarului axial forjata pe arborele respectiv, este situata intre doua randuri de placute-cuzinet, de forma identica, amplasate pe aproximativ din circumferinta lagarului (fig. 22), care preiau, succesiv, forta axiala provenind fie dinspre motor (placutele dinspre motor), fie dinspre elice (celalalt rand de placute) si o transmit structurii de rezistenta a navei prin intermediul ramei de fundatie a motorului; suprafetele de contact sunt placate cu metal alb si sunt acoperite de uleiul din baia lagarului, constant umpluta prin sistemul de ungere de joasa presiune.
Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare |
Vizualizari: 5608
Importanta:
Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2024 . All rights reserved