10. CONSTRUCŢIA CONSTRUCŢIA ŞI PROIECTAREA ARBORELUI COTIT CO TIT (SOLUŢII (SOLUŢII CONSTRUCTIVE) 10.1. Introducere
Acest capitol introduce principalele noţiuni necesare proiectării arborelui cotit, din punct de vedere al soluţiilor soluţiilor constructive. După parcurgerea capitolului veţi fi capabili să: • enumeraţi elementele componente ale arborelui cotit; • precizaţi forma constructivă a arborelui, în funcţie de numărul şi dispunerea cilindrilor motorului; 10.2. Forme constructive ale arborelui cotit
Arborele cotit trebuie să satisfacă următoarele cerințe: -
să asigure o rezistenţă și o rigiditate mare
-
suprafețele de frecare să prezinte o bun ă rezistență la uzură
-
să evite rezonanța oscilațiilor de d e răsucire
-
să fie echilibrat static și dinamic.
Arborele cotit este alcatuit dintr-un num ăr de coturi, egal cu numărul cili ndrilor, la
motoarele in linie ş i egal cu jum ătate din num ărul de cilindri la motoarele î n V și din două sau mai multe fusuri de reazem, numite numite fusuri palier. palier. Fiecare cot este al cătuit din dou ă brațe şi un fus maneton, care se articuleaz ă cu capul bielei.
La motoarele cu patru cilindri în linie în patru timpi în cursul a două rotaţii ale arborelui cotit (720º) au loc patru curse utile ale pistonului. Pentru ca func ţionarea motorului
să fie uniformă, trebuie ca succesiunea curselor utile în cilindri să se facă la 180º (720:4) de rotaţie a arborelui cotit.
Succesiunea curselor utile începând cu primul cilindru, sau ordinea
de aprindere, în acest caz 1 – 3 – 4 – 2.
La motoarele cu şase cilindri în linie în patru timpi, cursele utile trebuie să se succeadă după 120º (720:6) de rotaţie a arborelui cotit. De aceea, manivelele arborelui la motorul cu şase cilindri sunt decalate cu 120º. Ordinea de aprindere posibilă pentru un astfel de motor poate fi: 1 – 5 – 3 – 6 – 2 – 4 sau 1 – 4 – 2 – 6 – 3 – 5. La motorul cu opt cilindri în V, cursele utile se succed la 90º (720:8) de rota ţie a arborelui cotit. Cea mai răspândită ordine de aprindere este : 1 – 5- 4 – 2 – 6 – 3 – 7 – 8 . În figura de mai jos sunt re prezentate cele mai răspândite forme ale arborilor cotiţi în funcţie de
numărul de cilindri şi de modul lor de dispunere. 1
Fig.1 - Forme constructive ale arborelui cotit (a - la motorul cu patru cilindri în linie, b - la motorul cu şase cilindri în linie, c - la motorul cu şase c ilindri în V, d - la motorul cu opt cilindri în V; 1- 8 - numărul cilindrilor )
Arborii cotiţi pot fi unitari (nedemontabili) sau compuşi (demontabili). 10.3 Construcţia arborilor cotiţi unitari
Adesea, arborele cotit este unitar (nedemontabil). 10.3.1. Fusurile arborelui
fie cât mai mare.
cotit se construiesc ast fel încât suprafaţa portantă să
Diametrele fusurilor cu aceeaşi destinaţie sunt egale (d p la fusurile
palier şi d m la fusurile maneton). Pentru a uşura fabricaţia şi a creşte rigiditatea şi portanţa, se recomandă d p = d m, însă mărirea diametrului d m majorează masele în mişcare de rotaţie (masa fusului maneton şi a capului bielei). În concluzie, se preferă soluţia dm
mijlocul arborelui este mai lung decât celelalte, mai ales când numărul de fusuri palier este inferior numărului de coturi sau când arborele nu are contragreutăţi. Fusurile maneton au aceeaşi lungime l m, datorită identităţii bi elelor prinse direct pe ele. Pentru asigurarea portanţei necesare, se recomandă ca produsul d mlm ≥ (0,14 … 0,17) ∙ ( ∙
)
Este recomandabil ca l m să fie redusă, pentru a limita solicitarea la încovoiere. Surtarea
excesivă, însă, a fusului maneton antrenează importante scăpări de ulei, impunând supradimensionarea pompei de ulei.
La fusul palier de lângă una din extremităţile arborelui sau la cel din mijloc, se prevede un joc axial de 0,05...0,3 mm. Se asigură astfel deplasarea axială liberă a arborelui, care este necesară datorită dilatării lui d iferite de dilatarea carterului; în plus, acest joc permite
2
arborelui să preia forţa aplicată axial de elementul care realizează cuplarea cu consumatorul energiei date de motor. În figura 2 este prezentată influenţa formei fusurilor şi braţelor asupra rezistenţei
cotului la oboseală. O construcţie simplă se obţine dacă fusurile arborelui cotit nu au canale axiale (2 a). Pentru a micşora masa arborelui cât şi forţele de inerţie, se recurge dese ori la
găurirea axială a fusurilor. Soluţia e convenabilă şi sub aspectul rezistenţei la oboseală, care sporeşte, întrucât găurile din lungul fusurilor determină o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe. Fig. 2 b: limita de oboseală prin răsucire se măreşte cu aprox.90%, dacă fusurile au găuri cilindrice, faţă de fusurile pline (2a). O creştere suplimentară rezultă prin mărirea lăţimii braţului (2 c); mult mai eficiente s unt goluri sub formă de butoi (2 d). Realizând forma de butoi, soluţia e şi mai bună când braţul este lat sau oval (2e,f) având lăţimea maximă egală cu lăţimea din variantele c şi e.
Fig.2
La fusul maneton este avantajoasă deplasarea găurii în raport cu axa periferiei: datorită excentricităţii e (fig.3), efectul de concentrare a eforturilor unitare la trecerea spre braţ este mai mult atenuat, iar rezistenţa la oboseală creşte cu 10 – 15%. De asemene a, se micşorează forţa de inerţie a cotului şi deci încărcarea lagărelor. Pentru a executa canalul ce tran smite uleiul de la fusul palier la fusul maneton, este uneori necesară şi excentricitatea laterală e’.
3
Fig.3
10.3.2. Braţele arborelui cotit
La unele motoare lente, braţele au formă dreptunghiulară (fig. 4a), ceea ce asigură simplitatea construcţiei. Mai raţionale sub aspectul reducerii masei arborelui şi a costului de fabricaţie sunt formele obţinute prin îndepărtarea materialului din zonele care nu participă la transmiterea eforturilor (4 b...d).
Pentru a mări lungimile fusurilor (reducerea uzurii), în cadrul distanţei fixate între două coturi consecutive, se recurge la micşorarea grosimii b a braţelor, realizând secţiunea necesară prin creşterea lăţimii lor h. Se obţin astfel braţe cu formă ovală (e) sau circulară (f). Arborii cotiţi cu braţe ovale sau circulare se utilizează frecvent la motoare rapide, cu puteri înalte. Execuţia lor este mai costisitoare, dar antrenează reducerea importantă a masei, precum şi creşterea rezistenţei şi rigidităţii. Sub aceste aspecte, cea mai avantajoasă este forma cir culară, care asigură o foarte bună comportare la oboseală (4f).
O cerinţă deosebită constă în diminuarea efectului de concentrare a tensiunilor unitare la trecerile dintre fusuri şi braţe. În acest scop, fusurile se racordează cu braţele sau, de cele mai multe ori, cu pragurile intermediare p (fig.4). Soluţia este mai eficientă cu cât raza de
racordare este mai mare. Pe de altă parte, o rază prea mare de racordare determină scăderea lungimii portante a fusului.
4
Fig.4
10.3.3. Contragreutăţile care
echipează arborele cotit determină mărirea masei
lui şi deci a masei motorului; această creştere a masei motorului este mai puţin însemnată, deoarece utilizarea contragreutăţilor permite reducerea dimensiunilor volantului. Aportul de masă introdus de contragreutăţi micşorează frecvenţele proprii ale arborelui cotit. Dificultăţile de execuţie impun însă, rezerve în ce priveşte folosirea contragreutăţilor. Arborele cotit poate fi fără contragreutăţi atunci când cerinţele privind echilibrajul şi descărcarea lagărelor sunt îndeplinite într -o măsură satisfăcătoare pe alte căi: când se realizează un echilibraj avansat, prin dispunerea relativă a coturilor şi distanţe scurte între lagăre (ca în cazul arborelui cotit care are plan central de simetrie şi fusuri palier alternând cu fusurile maneton); când motorul este dotat cu bloc – carter, ceea ce conferă rigiditate sporită
lagărelor. 5
Se prevăd contragreutăţi la arborii cotiţi cu un număr redus de fusuri palier. Sub aspectul descărcării lagărelor, se recomandă utilizarea contragreutăţilor pentru a limita produsul dintre presiunea medie pe fusul palier şi viteza lui periferică, ce exprimă rezistenţa lagărului la uzură. Pentru obţinerea unei mase cât mai mici, contragreutăţile trebuie astfel const ruite încât să aibă centrul de masă cât mai aproape de axa de rotaţie a arborelui cotit. Dimensiunile pe direcţie radială sunt limitate de spaţiul disponibil faţă de carter, cilindru şi pistonul în poziţia PME. Respectând aceste condiţii, contragreutăţile au frecvent forma unui sector de cerc sau a unui segment de cerc. Grosimea lor poate depăşi grosimea braţelor, dacă nu afectează spaţiul necesar mişcării bielei. Prin contragreutăţi se echilibrează cam 70...80% din forţa de inerţie a maselor cu mişcare de rotaţie aferente unui cot. La motoarele mici contragreutăţile fac corp comun cu braţele arborelui cotit, ceea ce e posibil datorită dimensiunilor reduse. Avantaje: ciclul de fabricaţie se scurtează, iar construcţia este mai robustă. În mod obişnuit asemenea arbori se realizează prin turnare.
Fig.5
La arborii cotiţi mari contragreutăţile se execută detaşabile, construite, în general, din fontă. Ele se fixează pe braţele arborelui cu şuruburi (fig.5).
6
Îmbinarea trebuie să evite solicitarea dezavantajoasă a şuruburilor. Dacă se practică prinderea prin coadă de rândunică (5a), şuruburile sunt încărcate numai de forţa de strângere; contragreutatea este prevăzută cu o tăietură, care -i conferă elasticitate şi face posibilă asamblarea, având la capăt un orificiu care evită concentrarea eforturilor unitare. La alte soluţii, şuruburile sunt solicitate şi de forţa centrifugă a contragreutăţii şi descărcate de forţa tangenţială de inerţie prin praguri (b), danturi triunghiulare (c) sau bucşe de centrare (d). Uneori, şuruburile nu sunt asigurate, ci strânse cu un moment ce situează deformaţia în domeniul elastic. Alteori, se prevăd siguranţe de tablă 1 sau puncte de sudură 2 pentru asigurarea şuruburilor. La unele motoare de tracţiune feroviară se aplică montajul cu etrier introdus într- o degajare din braţ şi strâns cu piuliţe (e). 10.4. Construcţia arborilor cotiţi compuşi
- capătul anterior, 2 - fusurile paliere, 3 - fusurile manetoane, 4 - braţele manetoane, 5 - contragreutăţile, 6 - capătul posterior, 10 - 12semicuzineţii, 11 - piciorul bielei, 13 - capul bielei nesecţionat) Fig.6 – arbore cotit demontabil (1
Elementele unui arbore cotit compus (demontabil) la un motor în doi timpi sunt turnate
şi prelucrate separat, fiind apoi asamblate cu şuruburi. Braţele se rezeamă pe rulmenţi, jucând şi rol de fusuri paliere. Se asamblează împreună cu bielele şi se echilibrează dinamic pe maşini speciale. În anumite cazuri, arborele cotit se exe cută din mai multe componente. La motoarele
monocilindrice mici (de motocicletă), cotul arborelui este divizat, construind fiecare braț solidar cu fusul palier adiacent și asamblând fusul maneton prin presare ( fig.7.a). În altă
alternativă, întâlnită și la motoarele policilindrice cu dimensiuni și puteri reduse, fusurile paliere sunt realizate separat, fiind și ele presate în braț. Soluția permite construcția bielei cu 7
capul nesecționat și montarea ei, înainte de asamblarea arborelui, pe rulmenți cu role, care
lucrează direct pe fusul maneton. Lungimea și masa arborelui se micșorează iar condițiile de funcționare a fusurilor sunt ameliorate. Uneori, partea centrală a fusurilor maneton are
diametrul mărit, ceea ce face posibilă rectificarea și refolosirea l or, cu rulmenti livra ți la cote de reparație. Solu ții asemănătoare se aplică la motoarele staționare ş i navale lente, cu dimensiuni și puteri ridicate. Construc ția independentă a elementelor cotului ușurează forjarea
semifabricatului, cu fibraj îmbunătățit și reduce apreciabil masa arborelui, ca și operațiile de prelucrare mecanică. Fusurile se prelucrează în brațe ( fig.7.b) la 200...250 ° C, asigurând un setraj de (1.1...1.4) ∙ 10 ∙ . Se recomandă δ ≥
. Dacă această condiție nu poate fi
respectată (cursă scurtă), se construiesc brațele solidare cu fusul maneton dintre ele și se precizează numai fusurile paliere. Tot o divizare a corpurilor caracterizează arborii unor motoare de tracțiune rapide (fig.7.c): brațele au câte o parte unită cu fusul maneton iar cealaltă po rțiune a fiecărui braț este
asamblată cu șuruburi. Elementele cotului se toarnă, prin cavitățile lor se vehiculează ulei spre periferiile fusurilor maneton. Datorită acestei împărți ri și formei circulare a brațelor, ele se
montează pe rulmenți preluând rolul fusurilor paliere (arbore scurt, frecare d iminuată). Unii arbori compu și mari sunt compu și din tronsoane (divizare între coturi), la
capetele cărora se forjează flanșe. Asamblarea se efectu ează cu şuruburi cilindrice ( fig.7.d) sau conice (fig.7.e). Orificiile în care se introduce fiecare șurub se alezează împreună,
prevăzând cale între flanșe. La montarea arbore lui, calele nu mai sunt utilizate, centrarea tronsonului fiind asigurată de șuruburi.
8
Fig.7. Solu ții pentru arbori cotiți compuși.
9
