BIELA

1. Rol. Componenţă. Condiţii funcţionale

Biela transmite forţa de presiune a gazelor Fp şi forţa de inerţie a grupului pistonului FgP de la

piston la arborele cotit. Împreună cu arborele cotit, biela transformă mişcarea de translaţie

alternativă în mişcare de rotaţie.

Componentele bielei (fig.1) sunt: piciorul, ce serveşte la articularea cu pistonul, capul, prin

care se asamblează cu arborele cotit, şi corpul, constituind zona centrală.

Capul are o parte separabilă, numită capac, care permite prinderea cu şuruburi pe fusul

maneton al arborelui cotit. Forţele transmise de bielă şi forţele de inerţie proprii, periodic

variabile, solicită biela la oboseală. Datorită variaţiei acestor forţe, solicitarea bielei are caracter

de şoc în unele momente ale ciclului motor. Forţele preluate provoacă şi deformarea

componentelor bielei (fig.2): compresiunea produsă de forţa Fp determină, prin deformare

remanentă, scurtarea lungimii l a bielei (fig.2a), prejudiciind mişcarea liberă; prin efect de

flambaj, deformarea datorată aceleiaşi forţe poate compromite paralelismul axelor piciorului şi

capului (fig.2b), ceea ce reprezintă o sură importantă de uzură a suprafeţelor de frecare şi de

1

slăbire a organelor mecanismului motor. Prin întindere, forţa FgP şi forţele de inerţie normale ale

bielei produc ovalizarea piciorului şi capului (2c), creând posibilitatea gripării; sub acţiunea

forţelor de inerţie tangenţiale ale bielei, corpul ei este supus la încovoiere (2d), care poate fi

cauzată şi de dezaxarea rezultantei F’, de exemplu când bolţul pistonului este flotant (2e).

Condiţiile severe de lucru impun ca biela să aibă rezistenţă şi rigiditate superioare, masă

minimă care să limiteze forţele de inerţie, şi capacitate maximă de preluare a eforturilor. Este

necesar şi controlul efeicient al uzurii suprafeţelor de frecare. Astfel, dacă bolţul se roteşte în

picior, acesta este echipat cu o bucşă antifricţiune, de obicei presată, şi se practică ungerea liberă,

cu ulei din ceaţa înconjurătoare, sau ungerea sub presiune.

În funcţionarea bielei pot surveni accidente cu consecinţe însemnate. Deficienţe de ungere

provoacă supraîncălzirea suprafeţelor de frecare, fiind posibilă degradarea sau chiar topirea

stratului antifricţiune.

2. Materiale pentru biele

Cel mai frecvent, bielele se construiesc din oţeluri carbon de calitate sau oţeluri aliate. Se

aplică cu rezultate pozitive şi execuţia bazată pe turnare din fontă nodulară. Datorită reducerii

substanţiale a masei, s-a încercat şi construcţia bielei din aliaj de aluminiu, dar utilizarea acestuia

nu s-a extins, datorită dificultăţilor de forjare, a rezistenţei mici la rupere, modulul de elasticitate

scăzut la aliajul de aluminiu, antrenând o sensibilitate sporită la flambaj.

Bucşa din piciorul bielei se fabrică dintr-un material cu bune calităţi de alunecare, şi

rezistenţă mare la uzură. Un procedeu ietin de fabricaţie constă în rularea bucşei dintr-o bandă de

bronz sau de oţel placat cu un strat de bronz.

La cuzineţii bielei carcasa se coontruieşte din oţel moale, de exempli OLC 08.

2

3. Construcţia bielei

Construcţia piciorului bielei depinde de componenţa mecanismului motor.

La mecanismele fără cap de cruce, piciorul bielei are formă tubulară şi este solidarizat cu

corpul bielei printr-o zonă de racordare. Raza de racordare trebuie să fie suficient de mare pentru

a asigura rigiditatea, dar nu prea mare, pentru a evita creşterea inadmisibilă a masei.

Dacă bolţul este flotant sau fix în umerii pistonului, pistonul bielei se construieşte rigid

(fig.3- piciorul bielei în care bolţul este liber). La motoarele rapide, piciorul este cilindric (3a),

având eventual o proeminenţă 1 pentru corectarea masei prin îndepărtare de material. În picior se

presează bucşa antifricţiune. Se practică de obicei ungerea liberă, prevăzând un orificiu pentru

accesul uleiului. La interior există adesea locaşuri pentru acumularea uleiului, realizate în

următoarele variante (3b): prelucrarea unui canal 2 pe bucşele turnate sau calibrate la rece;

echiparea piciorului cu două bucşe, între care se formează spaţiul de acumulare 3; înzestrarea

bucşelor rulate din bandă cu şanţuri 4, executate simultan cu debitarea benzii. Uneori uleiul este

transmis printr-o tăietură din partea superioară a piciorului (3c).

Fig.3 – Construcţia piciorului bielei în care bolţul este liber

3

În cazul unor încărcări mai mari, de exemplu la MAC navale semirapide, partea

superioară a piciorului este bombată (3d) sau nervurată (3e, f). Aceste construcţii sunt asociate cu

ungerea sub presiune şi eventual, cu răcirea suprafeţei inferioare a capului pistonului prin jeturile

dirijate de pulverizatorul 5. La MAC puternic solicitate se adoptă măsuri speciale: creşterea

rigidităţii prin dezaxarea orificiului din picior înspre extremitatea lui superioară (3g) sau prin

îngroşarea corpului bielei sub picior (3h); construirea piciorului mai scurt în partea superioară

(3i), mărind lungimea de sprijin a bolţului pe partea inferioară a bucşei, ceea ce uniformizează

grosimea peliculei de ulei de pe bolţ. Dacă presiunea dintre bolţ şi bucşă ia valori înalte, bucşa se

montează cu joc (bucşă flotantă); datorită rotirii ei şi formării unei pelicule de ulei pe exteriorul

său, se obţine o uzură mai uniformă.

Când bolţul este fix în piciorul bielei (fig.4), acesta se construieşte tot rigid, dacă se

aplică montajul cu strângere, sau dacă se foloseşte un şurub-pană (4a).

Se întâlnesc şi construcţii elastice, la care piciorul are o fantă, iar bolţul este strâns cu un

şurub perpendicular pe ea. Fanta poate fi plasată în partea inferioară a piciorului (4b), asigurând

simetria construcţiei, sau lateral (4c); la a doua soluţie, piciorul are de obicei o nervură de

rigidizare 1.

La mecanismele cu cap de cruce, piciorul bielei este construit din mai multe elemente.

Capul de cruce (fig.5) cuprinde traversa de oţel aliat 5 şi patine 1, turnate din oţel. Pe traversă se

fixează tija pistonului 4 şi se articulează piciorul bielei 6. Patinele pot fi plane sau cilindrice şi se

sunt dotate cu strat antifricţiune, care culisează pe glisiere 2 şi este uns sub presiune. Se

utilizează o patină (5a), două (5b), sau patru (5c). Soluţiile cu două şi patru patine sunt mai

4

avantajoase, deoarece asigură suprafeţe de reazem egale, independent de sensul forţei normale N,

pe întregul ciclu motor. Piciorul bielei (fig.6) are frecvent formă de furcă (6a). Fiecare braţ al

furcii este prevăzut cu un lagăr inferior 1 şi cu un capac 2, pentru articularea cu traversa capului

de cruce. Altă soluţie, cu un singur lagăr şi un singur capac (6b), facilitează forjarea

semifabricatului pentru corpul bielei şi ameliorează funcţionarea îmbinării cu traversa capului de

cruce, datorită lagărului mai lung.

5

Corpul bielei are forma unei tije. Secţiunea lui transversală, adesea profilată, este dictată

de solicitarea la flambaj. Această solicitare apare atât în planul de mişcare al mecanismului

motor, în care biela se constituie ca o grindă articulată la capete, cât şi în planul perpendicular pe

cel precedent (planul de încastrare), în care biela reprezintă o grindă încastrată la capete.

Comportarea eficientă la flambaj pretinde ca secţiunea transversală să aibă momentul de inerţie

în planul de mişcare de patru ori mai mare decât momentul de inerţie din planul de încastrare.

Astfel, secţiunea are forma de I (fig.1), cu axa inimii 1 în planul de mişcare. Ea asigură o bună

rigiditate bielei, la o masă relativ mică.

Secţiunea transversală a corpului bielei (fig.7) are formă de I (7a) la motoare rapide,

semifabricatul fiind matriţat; la dimensiuni mari, se recurge la forjare, urmată de realizarea inimii

prin frezare. De obicei, aria secţiunii se măreşte de la piciorul bielei spre capul ei, crescând liniar

lăţimea inimii L2 şi menţinând constante lăţimea tălpilor B, grosimea lor L1 şi grosimea inimii

B1. Sub aspect tehnologic, este convenabil o rază R mare, dar raza R mai mică va conduce la

biele mai uşoare.

Dacă se aplică ungerea bolţului sub presiune, uleiul este vehiculat printr-un canal găurit în

centrul inimii, care este îngroşat la exterior (7b), sau, mai rar, nervurată (7c); în alte cazuri,

canalul este excentric (7d). Execuţia canalului este dificilă, datorită diamentrului mic 4...6 (mm)

faţă de lungime. De aceea, unele biele nu au canal longitudinal, iar uleiul este transmis printr-o

ţeavă exterioară, lipită la capete pe cap şi pe picior; evident, soluţia oferă securitate mai redusă în

6

exploatare. La motoarele lente, mari, şi la unele motoare rapide forţate, corpul bielei are secţiune

circulară constantă (7e). Se înlesneşte astfel elaborarea semifabricatului, respectiv finisarea

corpului, vizând creşterea rezistenţei la oboseală. Corpul poate fi prevăzut cu canal de ulei (7f);

uneori, canalul are diametru mare, pentru a micşora masa bielei, secţiunea devenind inelară (7g).

La motoare cu mai multe linii de cilindri, se aplică şi secţiunea în formă de H (7h), cu axa inimii

în planul de încastrare, care permite realizarea unei racordări line cu capul bielei şi uşurează

fabricaţia. Unele motoare de putere redusă, pentru motociclete şi ambarcaţiuni mici, au biele cu

corp de secţiune dreptunghiulară (7i) sau, mai rar, în cruce (7j).

Construcţia capului bielei depinde de articularea prin care biela şi cotul arborelui cotit

realizează mecanismul motor. La motoarele în linie, care utilizează mecanism normal, capul

bielei este uneori tubular (fig.8), ceea ce necesită alcătuirea arborelui cotit din mai multe

elemente asamblate şi montajul pe rulmentul 1, sau, cel mai frecvent, capul bielei este secţionat,

având capac şi cuzineţi. Sub aspectul execuţiei, cea mai convenabilă este separarea capacului de

partea superioară a capului după planul

perpendicular pe axa bielei (fig.1). Ca şi piciorul

bielei, capul ei este legat cu corpul printr-o zonă

de racordare, a cărei rază trebuie să asigure o bună

corelaţie între rigiditate şi masă. Realizarea

constructivă este mai dificilă decât la picior,

deoarece diametrul fusului maneton depăşeşte

apreciabil diametrul bolţului, determinând

creşterea însemnată a secţiunii transversale în zona

de racordare.

Întrucât diametrul fusului maneton este mare, se impune limitarea grosimii peretelui

capului bielei şi implicit a gabaritelor lui; acestea condiţionează traiectoria de mandolină 1 (fig.9)

a punctelor extreme ale capului, de care depinde configuraţia carterului în plan transversal, şi

7

trebuie să permită bielei articulate cu pistonul să treacă prin cilindru, uşurând montarea şi

demontarea.

Capul bielei trebuie să asigure pelicula de ulei între stratul antifricţiune şi fusul maneton,

precum şi contactul cu carcasa cuzineţilor, pe toata circumferinţa şi pe întreaga lungime. Aceste

condiţii impun ca deformaţia totală să rămână inferioară jocului cuzineţi – fus maneton, ceea ce

se realizează printr-o anumită rigiditate. Ea este obţinută prin nervurarea capacului (fig.10).

8