maȘini, motoare transmisii pentru baza energeticĂ · 3 prof. univ. dr. ing. sĂrĂcin ion...
TRANSCRIPT
3
Prof. Univ. Dr. Ing. SĂRĂCIN ION
MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ
(NOTE de CURS)
2018
4
CUPRINS
1. Maşini electrice............................................................................5
2. Pompe şi motoare hidrostatice.....................................................31
3.Motoare termice..............................................................................57
3.10 Sistemul de alimentare........................................................104
3.11 Sistemul de aprindere.........................................................129
3.12 Sistemul de ungere..............................................................144
3.13 Sistemul de răcire................................................................148
3.14 Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor..............152
4.Transmisii folosite în construcţia bazei enetgetice
pentru agricultură..................................................................... ..158
4.3 Transmisii prin curele.............................................................161
4.3.4 Transmisii prin lanţuri ........................................................164
4.4 Transmisii cardanice.................................................................164
4.5 Ambreiajul principal .................................................................167
4.6 Cutia de viteze............................................................................169
4.7 Diferențialul................................................................................172
BIBLIOGRAFIE...........................................................................177
5
1. Maşini electrice
1.1 Definiţii. Clasificarea maşinilor electrice
Prin maşină electrică se înţelege un ansamblu de corpuri solide, în general
mobile relativ, în care se plasează un sistem de înfăşurări cuplate între ele electric,
magnetic, sau electric şi magnetic. Prin intermediul acestui ansamblu, energia
electrică trece în energie mecanică şi invers sau în energie electrică de altă
formă.[34].
După natura cuplajului se deosebesc: maşini electrostatice la care intervine
doar cuplajul electric al înfăşurărilor, maşini electromagnetice la care cuplajul
circuitelor este de natură magnetică, câmpul magnetic fiind produs de
electromagneţi şi maşini magneto-electrice caracterizate tot prin cuplajul magnetic
al înfăşurărilor, câmpul magnetic fiind produs prin intermediul magneţilor
permanenţi. Importanţă practică prezintă în primul rând maşinile de tip
electromagnetic.
După modul de transformare al energiei se disting maşini generatoare care
primesc energia sub formă mecanică şi o transmit exteriorului sub formă de energie
electromagnetică şi maşini motoare la care se inversează sensul de circulaţie al
energiei. Maşinile electrice de construcţie normală sunt cu partea mobilă rotitoare.
Dacă armăturile feromagnetice ce înglobează înfăşurările cuplate electric şi
magnetic sau numai magnetic sunt imobile, se obţine un caz limită de maşină
electrică, transformatorul electric, prin intermediul căruia se transformă tensiunea
şi intensitatea ce caracterizează energia electromagnetică, la aceeaşi frecvenţă.
După natura curentului ce străbate înfăşurările, maşinile electrice se împart
în maşini de curent alternativ (sincrone, asincrone sau fără colector), monofazate
sau polifazate şi maşini de curent continuu.
Din punct de vedere constructiv, la maşinile rotative normale se distinge o
armătură feromagnetică cilindrică fixă numită stator şi o armătură mobilă
concentrică numită rotor, plasată în interiorul statorului.
Spaţiul de aer dintre armături se numeşte întrefier şi se notează cu . În stator
şi în rotor de partea întrefierului sunt plasate o serie de conductoare
legate potrivit, numite înfăşurările maşinii. În cele ce urmează se notează cu A (a),
X (x), respectiv capetele de început şi sfârşit ale înfăşurărilor.[34]
Pentru a evita producerea unor importante pierderi prin histereză şi curenţi
turbionari, părţile feromagnetice în care câmpul magnetic variază în raport cu
timpul, se execută din tole de oţel electrotehnic izolate între ele; părţile
feromagnetice în care câmpul este constant se fac din tole sau masive (din fontă sau
oţel). Dacă întrefierul este constant, avem de-a face cu maşina cu poli plini sau
înecaţi (fig.1.1.), dacă pe periferia maşinii întrefierului este variabil maşina este de
tip cu poli aparenţi (fig.1.2.).
6
Fig.1.1. Maşina electrică cu poli înecaţi.[34]
Partea maşinii în care se produce câmpul de excitaţie (câmpul inductor), se
numeşte inductorul iar partea maşinii în care câmpul magnetic induce tensiuni
electrice, indusul. Rolul de inductor în poate juca atât statorul (fig.1.2.) cât şi rotorul.
Când înfăşurările maşinii sunt străbătute de curenţi, se stabileşte câmpul magnetic
rezultant al maşinii. Acesta se închide prin miezul feromagnetic stabilind pe
periferia maşinii în mod obişnuit consecutiv poli de polarităţi diferite.[4,27]
Fig.1.2. Maşina elecrică cu poli aparenţiă[4,27]
La curent debitat de maşină nul, maşina funcţionează în gol, iar la curent
diferit de zero, maşina funcţionează în sarcină.
Înfăşurările inductorului pot fi sub formă de bobine plasate pe poli
(înfăşurări concentrate – fig.1.2.) sau plasate în crestături practicate în miezul
feromagnetic (înfăşurări repartizate – fig.1.1.). Înfăşurările indusului la maşinile
actuale se aşează în crestături repartizate (fig.1.3.).
7
Fig.1.3. Rotor cu înfăşurări electrice repartizate[4]
În (fig.1.2.) linia întreruptă parcurge circuitul magnetic al unei maşini cu poli
aparenţi. Se disting în stator cei doi poli magnetici: polul nord N şi polul sus S, cu
înfăşurările concentrate de excitaţie. Prin S1, S2, S3 s-au notat respectiv jugul
statoric, Corpul polului şi talpa polară: K1, K2 sunt muchiile tălpii polare şi distanţa
dintre ele, arcul polar (lăţimea tălpii polare).
Prin R s-au notat rotorul. Pentru a se închide, se observă că liniile de câmp
magnetic străbat de două ori interfierul. De obicei maşinile electrice din motive de
optimizare se fac simetrice după două axe. Axa de simetrie ce trece prin mijlocul
unui pol se numeşte axa longitudinală (axa d); bisectoarea unghiului format de două
axe longitudinale se numeşte axa transversală (axa q) sau neutră. Distanţa pe
periferia indusului între două axe neutre consecutive se notează cu şi se numeşte
lungimea pasului polar. În general maşina se execută cu 2p poli şi dacă se notează
cu D diametrul indusului.
Dp2 (1.1)
Maşinile electrice se execută cu ax vertical sau cu ax orizontal, într-o gamă
mare de forme adecvate multiplelor şi variatelor domenii de utilizare, care să
permită şi protecţia lor şi a personalului care le deserveşte (maşini deschise,
protejate contra stropilor de apă, închise, capsulate, etc.), definite STAS.
1.2 Principiul de funcţionare al maşinilor electrice.
Reversibilitatea maşinilor electrice
Repartiţia câmpului magnetic inductor de-a lungul pasului polar depinde
de construcţia maşinii. La maşinile cu poli aparenţi curba de repartiţie a
componentei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar este de formă
dreptunghiulară-curbilinie (fig.1.4.), la maşinile cu poli plini de formă trapezoidal-
curbilinie. Din motive de optim se urmăreşte asigurarea unei repartiţii cât mai
apropiate de o sinusoidală, obţinută fie prin plasarea potrivită a înfăşurării de
excitaţie (la maşinile cu poli plini), fie prin variaţia interfierului sub talpa polară (la
maşinile cu poli aparenţi) aşa cum se indică prin linia întreruptă în (fig.1.4.).[4]
8
Fig.1.4. Variaţia întrefierului şi repartiţia câmpului magnetic inductor sub talpa
polară[4]
Fie a un conductor de lungime l, la distanţa x, ce se deplasează cu viteza v în
sensul indicat, faţă de un câmp magnetic de amplitudine B repartizat sinusoidal
(fig.1.5.).
Fig.1.5. Câmp magnetic cu repartiţie sinusoidală[4]
Tensiunea electromotoare indusă în conductor
v1Buxec
(1.2)
în care pentru repartiţia sinusoidală considerată, xsinBBx
.
Alegând originea timpului t=0 la trecerea conductorului prin punctul de câmp
nul (prin axa q), Dntvtx şi conform (1.1), ntp2x .
Înlocuind în (1.2), pnt2sinBlvuec
sau cum viteza unghiulară n2 ,
tpsinBlvuec
(1.3)
înlocuind pe uec de forma:
tsin2Uuecec
(1.4)
unde este pulsaţia, rezultă:
p (1.5)
9
Distanţa x parcursă de conductor în timpul t îi corespunde un unghi la centru
geometric, tg
; prin analogie unghiul fe
ce fixează valoarea tensiunii
induse se numeşte unghi electric. Avem evident:
gep (1.6)
Cum unghiul geometric dintre două axe d, q, consecutive este p2
2
2
1 , rezultă
conform (1.6) că unghiul lor electric este 2
x, se zice că axele sunt în cuadratură
electrică.
Dacă se înlocuieşte în (1.5), f2 şi n2 , rezultă:
pnf (1.7)
relaţie de bază ce leagă frecvenţa tensiunii induse de numărul de poli şi turaţia
maşinii.
Înseriind conductorul a cu un alt conductor b, plasat la distanţa de pasul
polar, astfel încât să formeze o spiră, prin parcurgerea lor în sensuri contrare, t.e.m.
la bornele spirei apare dublă faţă de tensiunea indusă într-un conductor (t.e.m.
induse în cele două conductoare sunt egale şi de semn contrar iar sensurile de
parcurgere ale conductoarelor sunt opuse).[4,13,36]
Dacă una sau mai multe spire înseriate suprapuse se aşează pe un rotor ce se
învârteşte între-un câmp magnetic constant şi se leagă electric capetele a, x, ale
înfăşurării la două inele colectoare pe care calcă un sistem de perii (fig.1.6.), se
obţine la perii o t.e.m. alternativă.
Fig.1.6. Legarea înfăşurărilor electrice la două inele colectoare[4,13]
Conectând la inele un consumator maşina debitează un curent alternativ,
funcţionând în regim de generator sau alternator monofazat. Dacă viteza de rotaţie
este constantă curba de variaţie în raport cu timpul a tensiunii electromotoare induse
repetă (rel.1.2) repartiţia spaţială a componentei radiale a inducţiei magnetice din
10
interfier; dacă această repartiţie este sinusoidală, t.e.m. indusă variază sinusoidal în
raport cu timpul.Dacă pe o pereche de poli se plasează m înfăşurări egale, decalate
cu unghiul la centrul mp
2, rezultă m t.e.m. induse defazate între ele cu
m
2rad.el.
Se obţine astfel o maşină m fazată. De regulă cele m înfăşurări se leagă în conexiune
stea sau poligon. La conexiunea stea capetele de sfârşit se leagă împreună
constituind punctul de “nul” al înfăşurării, la conexiunea poligon capătul de sfârşit
al unei înfăşurări se uneşte cu capătul de început al următoarei.. În mod obişnuit se
iau m=3 înfăşurări indicate simplificat în (fig.1.7.a) şi maşinile se numesc trifazate.
Prin săgeţi s-au indicat axele înfăşurărilor. Tensiunile trifazice sunt defazate între
ele simetric.[4,23,27,34]
Fig.1.7. Înfăsurările electrice ale maşinilor electrice trifazate[4]
În (fig.1.7.b) se indică curbele de variaţie în raport cu timpul ale t.e.m. induse
u1, u2, u3 în înfăşurări la o repartiţie sinusoidală a câmpului magnetic pe pasul
polar. Înfăşurarea trifazată se realizează atât în conexiune stea ca în (fig.1.8.a) cât şi
în conexiune triunghi ca în (fig.1.9.a).
Fi.1.8. Conexiunea stea a înfăşurărilor electrice[4]
11
Fig.1.9. Conexiunea triunghi
Când tensiunile variază sinusoidal în timp se pot reprezenta în complex. În
(fig.1.8.b şi 1.9.b) sunt indicate tensiunile de fază şi de linie pentru conexiunile stea
şi triunghi; se vede că între tensiunile de linie U1 şi de fază Ut există relaţiile
f1U3U la conexiunea stea şi
f1UU la conexiunea triunghi.
La conectarea unui consumator maşina debitează un curent alternativ trifazic
(m-fazic) funcţionând ca generator de curent alternativ trifazat (m-fazat).
Dacă capetele a, x ale înfăşurării din (fig.1.6.) se leagă la două lamele pe care
calcă două perii aşezate astfel ca în (fig.1.10.), t.e.m. culeasă la aceste perii va fi de
forma din figura 1.11.a (s-a considerat repartiţia câmpului inductor ca în fig.1.4.).
Fig.1.10. Legarea capetelor înfăşurării electrice la două semiinele colectoare
Într-adevăr la peria A vine întotdeauna conductorul plasat sub acelaşi pol,
deci în care t.e.m. indusă are în permanenţă acelaşi sens. La o înfăşurare formată din
mai multe grupuri de spire (bobine), înseriate prin lamele şi dispuse pe întreaga
periferie a maşinii, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, obţinându-se
astfel o tensiune practic continuă (fig.1.11.b).
12
Fig.1.11. Tensiunea electromotoare rezultantă
Ansamblul lamelelor constituie colectorul ce joacă rol de redresor mecanic.
La conectarea periilor pe un consumator, maşina funcţionează în regim de generator
de curent continuu.
Cuplul care se dezvoltă la funcţionarea în regim de generator a maşinilor
electrice, determinat de interacţiunea dintre câmpul conductor şi curentul indusului
este de frânare, opus cuplului de rotaţie aplicat la arborele maşinii. La funcţionarea
în regim de generator, puterea mecanică primită la arbore se transformă prin
intermediul câmpului electromagnetic al maşinii, în putere electrică ce se transmite
consumatorului conectat la bornele înfăşurării indusului.
Dacă înfăşurarea indusului se conectează la o reţea absorbind un curent
electric, din interacţiunea dintre curentul din indus şi câmpul inductor se stabileşte
un cuplu ce determină rotaţia maşinii. Puterea electrică primită de la reţea se
transformă în putere mecanică în baza căreia maşina este capabilă să antreneze în
mişcarea maşinii unelte, instalaţii complexe, etc. acesta este regimul de motor
electric al maşinii.
Toate maşinile electrice verifică principiul reversibilităţii, potrivit căruia pot
funcţiona atât în regim de motor cât şi de generator.
Transformatorul electric este un modificator static al puterii electrice
caracterizată prin anumite valori ale tensiunii şi intensităţii, tot în putere electrică la
alte valori ale tensiunii şi intensităţii, sub aceeaşi frecvenţă.[34]
1.3 Câmpul magnetic ale maşinilor electrice.
În studiul maşinilor electrice se neglijează câmpurile magnetice produse prin
intermediul variaţiei în raport cu timpul a câmpurilor electrice şi ecuaţiile ce
exprimă legea circuitului magnetic în formă integrală şi diferenţială devin
JHrot;dlHrr
(1.8)
în care solenaţia Jdlr
este integrală de suprafaţă a densităţii Jdlr
a
curentului de conducţie ce străbate o suprafaţă deschisă ce se sprijină pe curba
închisă .
13
După cum o înfăşurare este străbătută de curent continuu sau curent
alternativ, se obţine un câmp magnetic constant sau alternativ, fix faţă de înfăşurare,
de o repartiţie oarecare a componenţei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar
.
Alimentând în curent continuu prin intermediul inelelor o înfăşurare
plasată într-un rotor ce se roteşte, se obţine un câmp magnetic învârtitor pe cale
mecanică.
Dacă o înfăşurare m-fazată oarecare este străbătută de un sistem de curenţi
alternativi, se obţine de asemenea un câmp magnetic învârtitor, pe cale electrică de
amplitudine şi viteză în general variabile. Se presupune pentru simplificare că
circuitul magnetic este nesaturat şi repartiţia pe pasul polar a câmpurilor magnetice
create de înfăşurările de fază, parcurse de curenţi variabili oricum în timp, este
sinusoidală (dacă repartiţia este nesinusoidală, se ia în consideraţie doar armonica
fundamentală obţinută prin descompunerea în serie Fourier). Se consideră ca origine
a distanţelor măsurate pe periferia maşinii, punctul în care inducţia magnetică
produsă de înfăşurarea l trece prin zero. În acest caz se poate scrie pentru inducţia
Bl(x,t) a fazei l într-un punct x al periferiei maşinii, la un moment dat, în cazul
general al variaţiei oricum în raport cu timpul a curentului, xsin)t(B)t,x(Bll
, iar pentru inducţia magnetică produsă de faza în acelaşi punct
xsin)t(B)t,x(B .
- unghiul electric măsurat în radiani între axele înfăşurărilor l şi ;
Bl(t), B(t) – mărimi variabile în timp în cazul general.
Însumând contribuţiile tuturor fazelor în punctul x, se obţine câmpul
magnetic al unei înfăşurări polifazate.
)t(xsin)t(B)t,x(B)t,x(Bm
1i
(1.9)
Ecuaţia (1.9) reprezintă o undă învârtitoare de repartiţie sinusoidală, a
câmpului magnetic; amplitudinea şi viteza unghiulară sunt mărimi variabile în
timp.[4]
1.4 Maşina de curent continuu.
Maşina de curent continuu s-a impus faţă de maşinile de curent alternativ
prin posibilitatea reglării comode şi în limite largi a turaţiei; există în schimb
dezavantajul prezenţei colectorului ce limitează puterea ce se poate scoate din
maşină.[13,27,34]
Principiul de funcţionare a fost prezentat pe scurt în . Dacă în locul unei
singure spire se plasează pe rotor o înfăşurare de curent continuu cu legături scoase
la colector, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, cu atât mai mult cu
14
cât numărul de lamele ale colectorului între două perii consecutive este mai mare,
încât se obţine o tensiune practic continuă.
Regimurile posibile de funcţionare ale maşinii de curent continuu, sunt de
generator, motor şi frână electromagnetică, în raport cu sensul fluxului energiei.
Maşina de curent continuu este larg utilizată atât ca motor cât şi ca generator
şi se realizează pentru diverse puteri, tensiuni şi intensit.
După modul de colectare al înfăşurării de excitaţie a polilor principali,
maşinile de curent continuu pot fi cu excitaţie separată sau cu autoexcitaţie.
1.4.1 Elemente constructive de bază.
Maşina de curent continuu are două părţi principale:
- statorul, partea fixă, ce reprezintă inductorul maşinii;
- rotorul, partea mobilă sau partea indusă ce roteşte interiorul statorului.
Elementele statorului sunt: carcasa ce cuprinde jugul statoric, polii
principali şi auxiliari, scuturile, lagărele, colierul de susţinere a periilor.
Rotorul cuprinde miezul feromagnetic crestat pe care este plasată înfăşurarea
indusului, colectorul, arborele, ventilatorul.
Elementele constructive de bază:
Jugul statoric se realizează din fontă sau oţel. De el sunt fixaţi polii principali
pe care sunt plasate înfăşurările de excitaţie şi polii auxiliari cu înfăşurările de
comutaţie . Miezurile polilor se execută din tole de oţel electrotehnic strânse prin
nituri sau din oţel masiv. În tălpile polilor principali, uneori se practică crestături în
care se introduc conductoarele înfăşurării de compensaţie. .[13,27,34]
Rotorul este format din arborele pe care se fixează miezul indusului
prevăzut cu crestături deschise sau semideschise în care se plasează înfăşurarea
indusului legată la colectorul 8 prin intermediul steguleţelor . Miezul indusului se
face din tole de oţel electrotehnic de 0,5 mm. izolate între ele prin o peliculă de lac
sau un strat de oxid. Pentru îmbunătăţirea condiţiilor de răcire tolele se grupează în
pachete de 40-100 mm. între care se lasă canale radiale de ventilaţie de 8-10 mm.
Maşinile mici au un singur pachet de tole.
Tolele marginale se iau cu grosimea de 1 mm din motive de rezistenţă
mecanică. Colectorul este format din ansamblul lamelelor izolate între ele cu mică
sau micanită şi rigidizate din punct de vedere mecanic prin intermediul butucului
colectorului şi a inelului de strângere al vectorului . Sistemul lamelelor se izolează
de elementele de fixare prin cilindri şi conuri de micanită.
Mărimile nominale sunt cele corespunzătoare regimului de funcţionare al
maşinii şi sunt precizate pe plăcuţa maşinii. Pentru maşina de curent continuu se
nominalizează tensiunea la borne şi turaţia. Astfel (conform STAS) la generatoare
se nominalizează tensiunile de 115V, 230V, 460V iar la motoare tensiunile de 110V,
220V, 440V.
15
1.4.2 Generatorul de curent continuu
O maşină de curent continuu funcţionează ca generator când primeşte putere
mecanică la arbore şi cedează pe la borne putere electrică. .[13,27,34]
Din punct de vedere al excitaţiei se deosebesc: generatoare cu excitaţie
separată (fig.1.13.a) în care înfăşurarea de excitaţie este conectată la o sursă
exterioară de tensiune continuă şi generatoare cu autoexcitaţie care după modul de
legare la bornele maşinii a înfăşurărilor de excitaţie, pot fi cu excitaţie paralel
(fig1.13.b), serie (fig.1.13.c) şi mixtă (fig.1.13.d). După scopul urmărit se utilizează
şi generatoare ce prezintă atât înfăşurări de excitaţie paralel şi serie cât şi excitaţie
separată. Cel mai larg folosit este generatorul derivaţie.
Fig.1.13. Legarea la bornele maşinii electrice a înfăşurărilor elecrice de excitaţie
Puterea electrică de excitaţie este de ordinul câtorva procente (2-5%) din
puterea nominală a maşinii de curent continuu. Rezultă de aici că la maşinile cu
excitaţie paralel, I0 din înfăşurarea de excitaţie, reprezintă de asemenea câteva
procente din curentul principal al maşinii; pentru producerea solenaţiei de
magnetizare necesare, înfăşurarea de excitaţie se realizează din spire multe de
secţiune redusă şi are ca urmare, o rezistenţă importantă.
Fig.1.14. Schema generatorului electric cu excitaţie serie
Pentru ca să se poată stabili o tensiune la bornele generatoarelor cu
autoexcitaţie, trebuie ca în acestea să existe un câmp magnetic remanent. În câmpul
închis astfel format, condiţiile de autoexcitaţie sunt aceleaşi ca şi la generatorul
16
derivaţie: existenţa unui flux remanent, conectarea potrivită a înfăşurării de excitaţie
şi rezistenţa RS de o astfel de valoare încât cr0S
tgRRR .
Cum curentul de sarcină este şi curent de excitaţie, tensiunea la borne variază
în limite largi cu sarcina şi scade la 0 pentru scrS
RR , lăsând receptorul
nealimentat (fig.1.14.).[34]
Caracteristicile generatorului cu excitaţie mixtă
Schema generatorului cu excitaţie mixtă, este reprezentată în figura 1.15.
Generatorul prezintă două înfăşurări de excitaţie, una derivaţie (Ed) şi alta serie
(Ea). Dacă fluxurile înfăşurărilor Ed, Es, au acelaşi sens, generatorul este cu
excitaţie mixtă adiţională, altfel diferenţială.
De regulă înfăşurarea derivaţie este înfăşurarea de excitaţie de bază, iar prin
intermediul înfăşurării în serie, se corectează după voie alura caracteristicilor.
Interesează în primul rând, caracterizarea externă a generatorului mixt.
La mersul în gol maşina se comportă ca generatorul derivaţie, câmpul
magnetic fiind produs doar de înfăşurarea Ed. În sarcină înfăşurarea serie stabileşte
un câmp suplimentar, variabil cu sarcina şi prin aceasta se modifică tensiunea la
borne ce s-ar obţine cu un generator derivaţie.
Fig.1.15. Schema generatorului electric cu excitaţie mixtă
În figura 1.16 prin curba l s-a reprezentat caracteristica externă a unui
generator derivaţie. Dacă se urmăreşte ca şi la curentul nominal IN să se păstreze
tensiunea de la mersul în gol, înfăşurarea suplimentară serie se conectează adiţional
şi se dimensionează astfel, încât să compenseze căderile de tensiune determinate de
sarcină (curba 2). Se zice că generatorul este normal compundat.
Dacă se creşte ponderea înfăşurării serie, în sarcină lucrează demagnetizant
şi tensiunea cade repede (curba 4), generatorul este anticompundat. Pe această bază
se pot obţine generatoare cu o alură dorită a caracteristicii externe.[13]
17
Fig.1.16. Caracterisitica externă a generatorului electric în derivaţie[4]
1.5 Servomotoare electrice
În categoria servomotoarelor electrice sunt incluse motoarele de curent
continuu şi curent alternativ, care în sistemele de reglare automată joacă rol de
elemente de execuţie; la primirea unui semnal electric (la aplicarea unei tensiuni de
comandă), arborele servomotorului roteşte astfel încât să fie respectat procesul
tehnologic prescris. De regulă, semnalul de comandă este de putere mică, încât
alimentarea servomotorului SM (fig.1.17.) se asigură de la un amplificator de putere
A; prin intermediul unui reductor de turaţie servomotorul antrenează sarcina
S.[4,13,19,27,34].
Mărimea de ieşire e poate fi aplicată la intrarea în amplificator (direct sau
după o convertire convenabilă), ca o reacţie de control (de comparaţie cu mărimea
de comandă l).
Fig.1.17. Schema generală şi alimentarea servomotorului electric[34]
Ansamblul servomotor, reductor, sarcină şi elementul de amplificare (cu sau
fără reacţii), constituie un mecanism de execuţie sau servomacanism.
Capitolul de faţă tratează servomotoarele electrice din punct de vedere al
condiţiilor specifice în regim staţionar şi dinamic, pe care trebuie să le îndeplinească
în cadrul unui servomecanism.
Servomotoarele prezintă caracteristici diverse şi sunt de puteri, turaţii şi
frecvenţe variind în limite largi. În accepţia uzuală, termenul de servomotor priveşte
motoarele de putere mică (sub 1 Kw) din sistemele automate, la care este posibil
reglajul de turaţie. La puteri de ordinul waţilor şi sutelor de waţi sunt preferate
18
servomotoarele de curent alternativ, peste aceste puteri se utilizează servomotoarele
de curent continuu.
Condiţiile de funcţionare fiind altele decât pentru motoarele obişnuite
(trebuind să răspundă cu precizie la semnalul de comandă aplicat), ele necesită o
realizare tehnologică aparte. Se dă atenţie asigurării simetriei circuitului magnetic,
prelucrării suprafeţelor, asigurării rigidităţii mecanice mai ales la viteze ridicate
(servomotoarele pot lucra la viteze de până la 100.000 de rot/min), etc.
În calculele de proiectare având în vedere caracterul de masă al producţiei de
servomotoare, alături de caracteristicile funcţionale ce trebuiesc satisfăcute, se au în
vedere şi considerente economice (alegerea solicitărilor electromagnetice şi
soluţiilor constructive astfel, încât consumul de materiale active şi în consecinţă
preţul de cost, să fie redus).
Indiferent de tipul, de curent continuu sau curent alternativ, pentru o
funcţionare corespunzătoare, servomotorul trebuie să permită un reglaj în limite
largi şi stabil de turaţie, să dezvolte un cuplu de pornire cât mai mare posibil şi doar
în prezenţa semnalului de comandă, să aibă viteza mare de răspuns şi putere de
comandă redusă, caracteristici mecanice lineare, construcţie robustă, preţ de cost
redus, etc. Aceste criterii se au în vedere când se dimensionează sau se alege un
servomotor. Ele se caracterizează prin gabarite reduse şi o funcţionare sigură, în
schimb necesită o tehnologie de execuţie pretenţioasă.[4.34]
1.5.1 Ecuaţiile servomotoarelor de curent
continuu.
În cele ce urmează se au în vedere servomotoarele cu excitaţie separată, de
regulă utilizate în sistemele de reglare automată.
La aplicarea unui semnal de comandă, arborele servomotorului ia o anumită
turaţie sau, în sistemele de urmărire, ocupă o poziţie determinată. Tensiunea de
comandă poate fi aplicată fie în circuitul de excitaţie fie în circuitul indusului.
Ecuaţiile ce definesc comportarea în cazul general, sunt cele date de relaţii în care J
este momentul de inerţie rezultat la arborele servomotorului (determinat şi de părţile
în rotaţie ale reductorului şi sarcinii) iar F, coeficientului de frecări vâscoase,
condiţionat de frecările mecanice ce se produc în toate elementele în rotaţie din
sistemul format de servomotor, reductor şi sarcină.
1.6 Comanda prin circuitul indusului
Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele indusului,
tensiunea de excitaţie păstrându-se constantă.
Ecuaţiile ce definesc funcţionarea servomotorului în regim staţionar pentru
Ua=variabil, Uex=ct, au forma:
19
)10.1(aesho
eshoaa
IIKMM
IKMRIU
Întrucât )ctI(ctUeex , fluxul polar al maşinii se păstrează constant,
indiferent de sarcină (dacă se neglijează efectele reacţiei de indus) şi în consecinţă
ctKS , de o valoare corespunzătoare nivelului solicitării magnetice a maşinii.
Faptul că nu mai intervine nelinearitatea caracteristicii magnetica a maşinii, este
un argument major în vederea folosirii acestui procedeu de reglare în sistemele
automate.[13]
Eliminând curentul IS din (1.10) se obţine caracteristica mecanică
FUKMSM
(1.11)
în care mărimile constante
R
)KJeM(F,
R
KJeMK
2
hoho
M (1.12)
Considerând tensiunea indusului Ua parametrul variabil, se obţine o familie
de caracteristici mecanice M=f(n), (fig.1.21) de forma unor drepte paralele de panta
F’.
Fig.1.21. Caracteristica mecanică la variaţia tensiunii.[13]
Caracterul linear şi panta constantă a caracteristicilor mecanice, echidistante
la variaţia în trepte egale a tensiunii Ua, permit o funcţionare corespunzătoare a
servomotorului într-un sistem automat şi reprezintă principalele avantaje ale
comenzii prin circuitul indusului; dintre ele prezintă un interes în primul rând cea
corespunzătoare tensiunii maxime de comandă Ua max.
Pentru o valoare dată a tensiunii Ua caracteristica mecanică se trasează
identificând intersecţiile dreptei cu axele de coordonate. Pentru =0 rezultă cuplul
de pornire al servomotorului.
aMp
UKM (1.13)
20
Pentru M=0, se obţine viteza unghiulară maximă 0 a servomotorului
(corespunzătoare mersului în gol ideal)
a
M
0U
F
K
(1.14)
Din (2.13) se observă că între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă
există o relaţie de proporţionalitate şi pentru acest punct, servomotorul joacă rol de
traductor tensiune-cuplu. Pe această bază KM se defineşte coeficient de amplificare
tensiune-cuplu iar prin analogie, se numeşte coeficient de frecare vâscoasă
artificială.
Puterea utilă la arborele servomotorului este dată de relaţia:
)FUK(MPaMU
(1.15)
Se observă că pentru =0, =0, puterea utilă devine nulă. Ea trece prin maxim la
viteza unghiulară max (ce satisface ecuaţia 0d
dPu
), dată de relaţia:
0a
M
max2
1U
Fs
K
(1.16)
înlocuind se obţine
F
UK
4
1P
2
aM
maxu
(1.17)
În fig.1.22 este reprezentată familia de caracteristici fPu
jumătate din
viteza unghiulară 0 corespunde tensiunii Ua date şi scade repede cu Ua.
Fig.1.22. Familia caracteristicilor mecanice pentru diverse tensiuni.[13]
21
Pentru tensiunea de comandă maximă Ua max, trebuiesc precizaţi cuplul de
pornire Mp max, viteza unghiulară max şi puterea utilă Pu max, ce reprezintă
parametrii semnificativi funcţionării ca servomotor.[4,13,25,27]
La studiul regimului dinamic se consideră mărime de intrare tensiunea de
comandă ua şi de ieşire unghiului de poziţie al rotorului.
Ecuaţiile operaţionale deduse pentru condiţii iniţiale nule, capătă forma:
smssTFssiIKMsm
SsIKMSisTRSu
smaesho
esshoasa
1
18.11
în care ţinând cont că dt
d , s-a introdus (s)’s(s)
S-au notat
19.1F
JT
R
LT m
as
respectiv constanta de timp a înfăşurării indusului şi constanta mecanică de timp.
Ecuaţia pentru circuitul de excitaţie nu intervine, întrucât la Uex=ct corespunde şi
Ia=ct şi regimul se păstrează staţionar.
20.11
1sm
a
eshoaesho mssTFs
sTR
ssIKMsuIKM
şi ţinând cont de (2.12)
21.1111 amaaM sTsTFssmsTssFsIK
sau
22.11111
maaaaM sTsT
F
FsFsmsTsuK
Ecuaţiei (1.22) îi corespunde schema funcţională din fig 1.23 în care
servomotorul prin introducerea coeficientului KM joacă rol de traductor tensiune-
cuplu (conform relaţiei 1.13 care în regim dinamic capătă forma suKsmaMF
).
Fig.1.23. Schema funcţională a servomotorului electric cu traductor
tensiune-cuplu
22
Dacă se neglijează constanta de timp Ta a indusului, de regulă foarte mică,
faţă de constanta mecanică de timp Tm, schema funcţională capătă forma (fig. 1.24).
unde 23.1FF
FTT mm
este constanta electromagnetică echivalentă de timp.
Fig.1.24. Schema funcţională a servomotorului cu constantă electromecanică de
timp
În cazul particular ma=0 (La mersul în gol), rezultă funcţia de transfer a
sistemului.
24.11
1
m
m
a Tss
FFK
su
s
Introducând notaţiile de mai sus, schema funcţională capătă forma din fig.
1.23 în care dispare s de la numitorul fracţiei ce defineşte funcţia de transfer a
ultimului element al schemei şi ca element de ieşire se consideră (s).
Funcţia de transfer la ms=0, devine:
25.1
1111
11
ama
FM
ma
FM
a TF
FsTT
F
F
F
F
K
sTsTF
F
K
su
s
Întrucât coeficienţii ecuaţiei de la numitor sunt toţi pozitivi, funcţionarea este
stabilă. După cum rădăcinile ecuaţiei caracteristice sunt ambele negative sau
complex conjugate, viteza unghiulară va tinde către valoarea stabilizată respectiv
aperiodic sau prin oscilaţii amortizate. De regulă se urmăreşte eliminarea oscilaţiilor
din sistemul de reglare, încât constantele Ta, Tm trebuie să satisfacă inegalitatea:
26.1042
amsm TTTTF
F
Din (1.26) rezultă că Ta trebuie să fie pe cât posibil redus şi din acest motiv
uneori se procedează la înserierea cu circuitul indusului servomotorului, a unor
rezistenţe suplimentare.
În cazul simplificat al neglijării lui Ta funcţia de transfer devine
23
27.11
1
m
M
a Ts
FFK
su
s
Din ecuaţiile (1.27) şi (1.25), rezultă că din punct de vedere dinamic în
ipotezele simplificatoare admise, servomotorul se comportă ca un element inerţial
aperiodic sau un ansamblu de două elemente dintre care unul inerţial aperiodic şi
altul integrator, după cum mărimea de ieşire este viteza unghiulară sau unghiul de
poziţie al rotorului.
Viteza de răspuns este condiţionată de constanta de timp T’m<<Tm deoarece
de regulă F’>>F. În consecinţă, introducerea pe cale funcţională a coeficientului F’,
apare deosebit de avantajoasă pentru comportarea în regim dinamic a
servomotorului (astfel spus, înclinarea caracteristicii mecanice a servomotorului în
regim staţionar, este o măsură a comportării lui în regim dinamic). Coeficientul de
frecare vâscoasă artificială F’ poate fi stabilit de o valoare convenabilă conform
relaţiei 1.8. Trebuie observat că mărimea lui F’ este legată (conform relaţiei 1.27)
în care se face s=0 de o limitare a vitezei unghiulare staţionare ce se obţine la ieşire
corespunzător unei tensiuni de comandă dată.[5,13,19,25,27]
1.6.2 Comanda prin circuitul de excitaţie
Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele
înfăşurării de excitaţie şi se păstrează constantă tensiunea înfăşurării indusului.
Ecuaţiile regimului staţionar capătă forma
28.1aeahoeahoaa IIKMMIKMRIU
eeaeEex
IfKIKIRU
Un prim dezavantaj al metodei decurge din faptul că odată cu tensiunea de
comandă se modifică în limite largi şi fluxul polar şi ca urmare nivelul de saturaţie
al maşinii, încât trebuie luată în consideraţie şi ultima ecuaţie nelineară din (1.28).
Dacă se neglijează în prima aproximaţie saturaţia (se presupune Ka’ct),
eliminând curenţii Ia, Ie din sistemul 1.28 se obţine caracteristica mecanică M’f()
de forma:
29.1 exexM UFUKM
unde:
30.11
; 2
2
esho
ex
E
exahoM U
RRr
KMUF
RR
UKMK
Ecuaţia 1.29 pentru o tensiune de Uex dată, reprezintă o dreaptă de pantă F’
dependentă de mărimea tensiunii de comandă.
24
Familia de drepte paralele cu abscisa ce se obţine pentru diverşi Uex este
reprezentată în fig. 1.25. se observă că nu mai este posibilă răsturnarea reglajului,
în schimb caracteristicile au căpătat o formă rigidă (F’=0) ceea ce este dezavantajos
pentru regimul dinamic. În plus deoarece de fapt Ksct, nici în acest caz nu se
respectă proporţionalitatea între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă.
Fig.1.25. Familia de drepte paralele pentru Uex
Asigurarea condiţiei Ia=ct pentru diverse tensiuni de comandă Uex, se
realizează intercalând între sursă şi bornele indusului, o rezistenţă importantă în
serie, sensibil mai mare decât rezistenţa echivalentă pe care o poate prezenta la
borne servomotorul pentru tot domeniul posibil de funcţionare. Introducerea
rezistenţei suplimentare, determină pierderi importante de energie încât faptul că,
potrivit metodei, este necesară o putere de comandă redusă, nu mai reprezintă un
avantaj deosebit.
Regimul dinamic se analizează în ipoteza Ia=ct. Ecuaţiile operaţionale deduse
la considerarea ca mărimi de intrare respectiv de ieşire tensiunea uex şi unghiul de
poziţie al rotorului, pentru Ka=ct şi condiţiile iniţiale nule, capătă forma:
33.11
1
mssTFssiIKMsm
isTRsu
measho
eeEex
Eliminând curentul ie(s) şi ţinând cont de (1.32) se obţine:
34.1111 meseexM sTsTFssmsTsuK
şi corespunzător schema funcţională din fig.1.26.
25
Fig.1.26. Schema funcţională a servomotorului în regim dinamic
În (1.34) constanta de timp
E
a
eR
LT a circuitului de excitaţie este importantă
şi nu poate fi neglijată faţă de Tm. Se poate neglija însă produsul me
TT încât se
ajunge la schema funcţională simplificată din figura 1.27 în care:
35.1mem TTT
este constanta electromagnetică echivalentă de timp.
Fig.1.27. Schema funcţională a servomotorului cu constantă echivalentă de timp
La mersul în gol (me)=0, se obţine funcţia de transfer
36.11
1
m
M
ho Tss
FK
sM
s
Funcţia de transfer pentru me=0, ţinând cont de notaţiile introduse, capătă
forma:
37.11
1
11
1
sT
FK
sTsT
FK
su
s m
em
M
ex
Ecuaţiile (1.36), (1.37), ce definesc funcţiile de transfer, se obţin de formă
asemănătoare celor corespunzătoare aplicării tensiunii de comandă pe circuitul
indusului. Absenţa coeficientului de frecare vâscoasă artificială F’ şi introducerea
în acelaşi timp a constantei de timp Te de valoare mare, conduc aşa cum rezultă din
compararea relaţiilor (1.23), (1.35), la o constantă de timp echivalentă Tm’’>Tm’ şi
în consecinţă viteza de răspuns a servomotorului comandat prin circuitul de excitaţie
este relativ redusă. La acest dezavantaj se adaugă consumul de energie pe rezistenţa
suplimentară şi legătura nelineară şi neunivocă dintre fluxul polar şi curentul de
excitaţie, ce afectează nivelul preciziei comportării într-o schemă de reglare
automată.
Din aceste motive, în mod uzual se utilizează comanda prin circuitul
indusului, comanda prin excitaţie fiind aplicată numai la servomotoarele de mică
putere.[4,13,25,27,34]
26
Observaţii. Avantajele utilizării servomotoarelor de curent continuu, se
referă în principal la posibilitatea reglajului de turaţie relativ simplu şi stabil, în
limite largi, prin intermediul unor caracteristici mecanice practic lineare, la buna
comportare în regim dinamic mai ales a servomotoarelor în construcţie specială (cu
rotorul în formă de pahar şi rotor disc), la posibilitatea obţinerii unor dimensiuni de
gabarit reduse, etc.
Printre dezavantaje se înscriu prezenţa colectorului ce necesită o îngrijire
specială, posibilităţile mai restrânse de reglare la comanda prin circuitul de excitaţie,
imposibilitatea sesizării schimbării semnalului de comandă şi introducerea unor
caracteristici mecanice nelineare la servomotorul serie (din acest motiv puţin
folosit), existenţa periilor care provoacă o creştere nedorită a frecărilor, prezenţa
scânteilor la colector (sursă de paraziţi radiofonici), etc.
Faţă de maşinile de construcţie normală, servomotoarele de putere mare se
realizează întrucâtva diferit. În vederea obţinerii unei constante mecanice de timp
Tm cât mai mici, se urmăreşte reducerea pe cât posibil a diametrului exterior al
rotorului. De asemenea pentru a putea prelua şocurile de sarcină, se execută cu
arborele rotoric supradimensionat şi comutaţiei I se acordă o atenţie particulară (la
şocuri de curent de câteva ori curentul nominal, scânteierea la colector să fie
admisibilă) prin prevederea de poli auxiliari, înfăşurări de compensaţie, etc.
Având în vedere avantajele prezentate, servomotoarele de curent continuu
sunt larg folosite în schemele de reglare automată şi după calcule simple
38.12
1;
2
1eEleEd jUUUjUUU
În baza relaţiilor (1.38) se determină în mod simplu (conform diagramei
fazorile din fig. 1.28) tensiunile simetrice de succesiune directă şi inversă care
aplicată înfăşurărilor, determină funcţionarea din cazul real.
Fig.1.28. Detrminarea tensiunilor de succesiune directă şi inversă
În particular la înfăşurări E, c, identice, aplicarea sistemului direct de tensiuni
determină curenţi egali şi defazaţi cu 2
x prin cele două înfăşurări, încât la un
moment dat, contribuţia armonicii fundamentale din curba solenaţiei
corespunzătoare fiecărei înfăşurări într-un punct, la distanţa x pe periferia maşinii
de axa înfăşurării E, este:
27
39.18
sin2
sin,
sinsin,
xx
wttx
wttx
dd
dE
şi solenaţia rezultantă:
40.18
sin,
xwtfx dcE
Ecuaţia (1.40) reprezintă o undă învârtitoare şi determină ipotezele
simplificatoare admise într-un câmp magnetic învârtitor circular direct. În
consecinţă forma caracteristicii mecanice a servomotorului pentru sistemul direct de
tensiune Md=f(s), este similară celei corespunzătoare unei maşini polifazate
funcţionând simetric.[4,13,25,27,34]
Analog se obţine un câmp magnetic circular invers şi un cuplu invers Md=f(s)
la aplicarea sistemului invers de tensiuni.
În realitate pentru un sistem nesimetric de tensiuni UE, Ue ca în (fig.1.28),
41.128
sinsin,
sinsin,
xtfx
xttx
cc
EE
(1.41)
În întrefier se stabileşte un câmp magnetic învârtitor eliptic, rezultat prin
suprapunerea a două câmpuri magnetice circulare de amplitudini diferite, ce se
rotesc în sensuri opuse.
Cuplul motorului este dat de suma cuplurilor direct şi invers corespunzătoare.
Caracteristica mecanică rezultantă ie
MMM
este reprezentată în figura 1.29.
Fig.1.29. Caracteristica mecanică rezultantă
Pentru n=0 cuplurile direct şi invers au valorile:
42.12
2
iip
ddp
KUM
KUM
28
iar cuplul de pornire al servomotorului va fi:
43.122
idp UUKM
Dacă tensiunea de comandă este nulă, din (1.38) se obţine Ud=UI,
caracteristica mecanică devine cea a unei maşini de inducţie monofazate şi
corespunzător Mp=0. Rezultă că servomotorul bifazat porneşte doar la Ue0.
Pentru o funcţionare corespunzătoare în sistemul de reglare automată, trebuie
ca la dispariţia semnalului de comandă servomotorul să se oprească.
Cum se ştie însă maşina de inducţie în construcţie normală ce la un moment
dat devine alimentată monofazat (aşa cum devine servomotorul pentru Uc=0),
rămâne în turaţie dacă cuplul electromagnetic corespunzător funcţionării
monofazate, pozitiv pe o plajă largă de turaţii, depăşeşte cuplul rezistent de la
arbore. Pentru a evita această situaţie incompatibilă cu funcţionarea ca servomotor,
se măreşte sensibil rezistenţa rotorică astfel ca alunecarea critică să fie în jurul
valorilor sK=2-3. Pe această bază cuplul rezultant pe care îl dezvoltă maşina la
trecerea în funcţionarea monofazată devine negativ (de sens opus rotaţiei) până la
n=0 şi servomotorul se opreşte.
Un alt avantaj ce rezultă din mărirea rezistenţei circuitului rotoric este
apropierea de forma lineară a caracteristicilor mecanice Md, MI, M din figura 1.29
ale servomotorului bifazat.
În figura 1.30 s-au aproximat prin drepte în sistemul de axe (,M) pe
intervalul (-1, +1) caracteristicile mecanice Md=f(), MI=f(), corespunzătoare
succesiunilor directe şi inverse de tensiuni. Şi caracteristica rezultantă M=f(),
suma algebrică a cuplurilor direct şi invers, rezultă tot o dreaptă pe intervalul
considerat. Poziţia dreptei se precizează prin pantă şi ordonata la origine (ce
determină cuplul de pornire al servomotorului bifazat).
Fig.1.30. Cuplul de pornire al motorului trifazat
În figură, AB=2 Mpd A’B’=2Mp şi panta dreptei M=f() rezultantă are
forma:
29
44.12 11
pipd MMBAABF
sau conform (1.42)
45.122
1
idg UUK
F
Din figura 1.28 rezultă:
sinUU2UU4
1U
sinUU2UU4
1U
cE
2
c
2
E
2
c
cE
2
c
2
E
2
d
înlocuind în (1.45), (1.43) se obţine:
46.10sin;2
22
1
cEpcE UKUMUUK
F
Caracteristica mecanică
fM căutată este de forma
47.12
sin 22
1
cEcEp UUK
UKUFMM
Viteza de mers în gol ideală
48.1sin2
22
1
0
cE
cE
UU
CU
Dacă servomotorul este comandat astfel încât Uc=variabil, U=ct =ct
(comandă prin modificarea amplitudinii tensiunii U), cuplul de pornire variază
direct proporţional cu semnalul de comandă încât servomotorul bifazat poate fi
considerat ca un traductor tensiune-cuplu. Diversele trepte M=f() ce se obţin la
modificarea lui U sunt de pante diferite întrucât Fx=f(U), fig. 1.31 ceea ce
reprezintă o sursă nedorită de nelinearităţi.
30
Fig.1.31. Caracteristica mecanică pentru semnal maxim de comandă
Cu linie îngroşată s-a reprezentat caracteristica mecanică corespunzătoare
semnalului maxim de comandă Ucmax. Dacă servomotorul este comandat astfel ca
Uc=ct, U=ct, =variabil (comanda prin modificarea fazei tensiunii Uc), cuplul de
pornire se modifică după o lege sinusoidală cu defazajul . Dreptele M() pentru
diverşi rezultă paralele (de pantă Fx neschimbată). Deoarece pentru obţinerea lui
variabil sunt necesare instalaţii modificatoare de fază relativ scumpe, acest sistem
de comandă este mai rar utilizat. [19,22,27,34]
Indiferent de sistemul de reglare, caracteristicile de reglare, caracteristicile
mecanice M sunt drepte căzătoare, ce permit o funcţionare stabilă pe toată plaja de
viteză unghiulară (0, 0). Din (1.48) se vede că 0<1 şi atinge această valoare la
U=Uc şi 2
când sunt realizate condiţiile pentru câmp magnetic învârtitor
circular (când dispare cuplul invers, opus rotaţiei).
Funcţionarea în regim dinamic. Se are în vedere ecuaţia:
49.1sp mFdt
dJFMM
unde
sinKUK;UKMEMcMp
(se consideră comanda servomotorului prin
variaţia amplitudinii tensiunii U).
În forma operaţională
50.11 sMsTsFFsUK smcM
în care
51.1FF
JTm
este constanta electromecanică echivalentă de timp.
31
2.POMPE ŞI MOTOARE HIDROSTATICE
2.1 Generalităţi
În ultimele decenii acţionările hidraulice au cunoscut o dezvoltare
considerabilă, în cele mai variate domenii ale tehnicii, datorită unor avantaje
considerabile pe care aceste acţionări le au în comparaţie cu cele mecanice şi chiar
cu cele electrice, în unele privinţe. Astfel, acţionările hidraulice au în prezent o largă
utilizare în construcţia avioanelor, a rachetelor, a tehnicii militare, în construcţia
maşinilor unelte, a preselor, la extracţie, la maşinile de transport şi ridicat, la
excavatoare şi alte utilaje de construcţie, la automobile, tractoare, maşini agricole,
nave etc.[6,23,27]
2.2 Avantajele şi dezavantajele sistemelor de acţionare hidraulică
Unele dintre avantajele fundamentale ale sistemelor de acţionare hidraulică
îl constituie gabaritul şi greutatea redusă pe unitatea de putere.
Raportul dintre momentul de răsucire şi cel de inerţie al motorului hidraulic
are valori foarte ridicate, până la 1000 sau chiar mai mult, în timp ce la un motor
electric asincron acesta reprezintă doar o valoare de 4…6.
Motoarele hidraulice au, deci excepţionale calităţi dinamice: astfel, de
exemplu, timpul de accelerare, a unui motor hidraulic de putere 5…7 kW are
valoarea de 0,03…0,04s. Acelaşi avantaj îl prezintă şi pompele hidraulice, la care
variaţia debitului de la zero la valoarea maximă se poate realiza în 0,04s, iar
micşorarea acestuia de la valoarea maximă la zero, în timpul de 0,02s.
Alte avantaje ale sistemelor de acţionare hidraulică sunt:
-posibilităţi largi de acţionare a unor cicluri de funcţionare automatizate şi de
schimbare uşoară a caracteristicilor acelor cicluri.
-tehnologia de fabricaţie a elementelor sistemelor hidraulice este mai complicată
(toleranţe strânse şi complexitatea mare a formei geometrice).
2.3 Clasificări, noţiuni de bază, definiţii, terminologie, principiul de
funcţionare a sistemelor hidraulice
Acţionarea hidraulică poate fi definită ca un ansamblu de funcţiuni tehnice
prin care se realizează transmiterea de energie mecanică, de la un element
conducător la unul condus, cu ajutorul unui mediu hidraulic.
32
2.3.1 Clasificarea acţionărilor hidraulice
Acţionările hidraulice pot fi clasificate după mai multe criterii şi anume:
A) După principiul de funcţionare, în:
- sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrostatic (volumic), care au la
bază, în special, folosirea energiei potenţiale a lichidului, sub formă de
presiune hidrostatică;
- sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrodinamic, în care se dezvoltă
forţe produse de presiunea hidrodinamică;
- sisteme hidraulice de acţionare de tip alternativ (hidrostatic), la care
transmiterea energiei se face prin impulsuri.
B) După criteriul cinematic, în :
- sisteme hidraulice de acţionare cu mişcare de rotaţie;
- sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare de translaţie;
- sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare oscilantă.
C) După funcţia îndeplinită (destinaţie), în:
- transmisii hidraulice, ansamblu de funcţiuni care, cu ajutorul unui mediu
hidraulic, realizează transmiterea unei energii de lucru la organul activ al
maşinii;
- posibilitatea de reglare continuă a vitezelor organului de lucru în limite
largi şi după orice lege dorită, sau posibilitatea de menţinere constantă a
vitezei de lucru.
- Posibilitatea obţinerii unor forţe şi puteri de considerabile (de exemplu,
prese hidraulice cu o forţă de presare de peste 50 000 tone) şi uşurinţa
comenzilor acestor instalaţii uriaşe (se pot obţine coeficienţi de
amplificare de ordinul sutelor de mii).
- Obţinerea unor mişcări silenţioase şi stabile, uzuri minime ale
elementelor active, durata mare de funcţionare (10 000 de ore sub sarcină
pentru pompe şi motoare hidraulice) protecţia uşoară şi sigură împotriva
suprasarcinilor, controlul permanent asupra sarcinii, toate acestea fiind o
urmare a folosirii mediului hidraulic ca agent motor.
- Caracteristica mecanică rigidă, este în cazul ideal legătura dintre piston şi
cilindru umplut cu lichid putându-se considera de rigiditate infinită, în
timp ce legătura în câmp magnetic este mult mai elastică (în realitatea
trebuie remarcat că nici sistemul hidraulic nu este absolut rigid, datorită
compresibilităţii lichidului şi deformaţiei elastice a peretelui cilindru).
Spre deosebire de curentul electric, fluxul de lichid transportă căldura degajată ca
rezultat al pierderilor de energie din locul în care se degajă, ceea ce permite
micşorarea dimensională a elementelor pentru o anumită putere, sau mărimea puterii
raportată la unitatea de volum. [6,23,27]
- evacuarea căldurii se face uşor, folosind schimbătoare de căldură
amplasate în locuri comode.
Printre dezavantajele mai importante se pot cita:
33
- poluarea şi pierderi volumice de lichid de lucru, ceea ce favorizează
apariţia fenomenului de obliteraţie şi variaţie a vitezei organului de lucru.
Pierderi liniare şi locale de presiune proporţionale cu pătratul vitezei de
curgere a lichidului.
- comenzi hidraulice, către au ca scop transmiterea unor energii (impuls)
de comandă la un anumit element al transmisiei hidraulice.
D) După criteriul interdependenţei dintre sistemul de acţionare şi organul
acţionat, acţionările (transmisii sau comenzi) pot fi subîmpărţite în:
- autonome, (dirijarea mecanismului acţionat în mod independent de
evoluţia deplasării sale);
- aservite, (servoacţionări), care sunt influenţate de evoluţia mecanismului
acţionat sau de alte mecanisme ale maşinii.
2.4 Noţiuni de mecanica fluidelor
2.4.1Proprietăţile fizico-chimice ale lichidelor de lucru
Mediul hidraulic folosit în mod curent în sistemele de acţionare hidraulică
este uleiul mineral. În cazuri mai rare se folosesc şi alte medii ca, de exemplu,
lichide speciale (sintetice) din polimeri ai oxidului de siliciu sau compuşi pe bază
de eteri, care se caracterizează printr-o stabilitate a vâscozităţii (indice Dean Davis
ridicat) şi prin inerţie chimică. [31,36]
În acţionarea hidraulică pot fi utilizate uleiurile hidraulice H19, H35, H57
(STAS 9506-74) pentru solicitări uşoare şi uleiuri hidraulice aditivate H12, H20,
H30, H38, (STAS 9691-74) pentru presiuni de max 300 daN/cm2 şi temperaturi de
25-28C
Mediul hidraulic utilizat în unele cazuri în acţionare hidraulică la temperaturi
ridicate de funcţionare este metalul lichid deoarece în aceste cazuri nu rezistă nici
uleiurile minerale nici lichidele sintetice. Mai eficient pentru aceste scopuri este un
aliaj eutectoid compus din 77% Natriu şi 23% Kaliu, având un aspect argintiu
similar cu mercurul. Punctul de topire este de cca. - 12C şi cel de fierbere cca.
850C (la presiunea atmosferică). Alierea acestuia cu Cesiu reduce şi mai mult
punctul de topire.
Modulul de elasticitate volumică este de 5,2x104 la temperatura de 40 C.
Vâscozitatea acestuia variază între 1,0 şi 0,2cSt la temperaturi cuprinse între 1 şi
750C.
Dintre proprietăţile fizice cele mai importante, ale lichidelor folosite în
acţionarea hidraulică, se evidenţiază vâscozitatea şi compresibilitatea.
Compresibilitatea lichidului de lucru este un parametru important care
intervine în calculele sistemelor de acţionare hidraulică, mai ales la presiuni mari,
fiind exprimat printr-un coeficient de compresiune relativă sau prin modul de
elasticitate volumică.
34
2.4.2Principiul de funcţionare a sistemelor de acţionare hidraulică
Sistemele de acţionare hidrostatică au o largă răspândire în construcţia
maşinii datorită volumului redus şi greutăţii mici pe unitatea de putere, simplităţii
reglării continue a vitezelor, coeficientului mare de reducţie şi amplificare, gradului
ridicat de fiabilitate, simplităţii în deservire, randamentului superior, ,arii
universalităţi de utilizare şi uşurinţei în realizarea automatizării.
Un sistem de acţionare hidraulică are în componenţa sa o sumă de elemente
hidrostatice, asociate între ele într-o anumită ordine, subordonată scopului
funcţional al maşinii sau instalaţiei respective.
În cadrul acestui capitol se vor prezenta elementele componente principale
ale sistemului hidraulic: pompele şi motoarele hidrostatice.
Pompele şi motoarele hidrostatice (volumice) sunt transformatoarele de
energie: pompele transformă energia mecanică în presiune hidrostatică, iar
motoarele presiunea hidrostatică în energie mecanică.
Pompele şi motoarele hidrostatice (în special cele rotative) sunt, în
majoritatea cazurilor, reversibile, în sensul că pot îndeplinii funcţii de generator sau
motor, motiv pentru care vor fi tratate împreună; calculele statice, cinematice şi
dinamice sunt comune, urmând a se evidenţia, de la caz la caz, unele elemente
specifice.
În construcţia de maşini se utilizează pompe hidrostatice, care se deosebesc
substanţial de cele folosite în alte domenii, cum ar fi cele din hidrotehnică,
hidroamelioraţii, instalaţii utilitare, transportul produselor petroliere, etc. printr-o
serie de parametri şi caracteristici, ca, de exemplu: presiuni şi debite, reglabilitate,
forme constructive şi gabarite, performanţe dinamice etc.
Presiunile considerate ca optime la pompele moderne sunt cuprinse între
valori de 250-500daN/cm2 la turaţii între 3000-5000 rot/min, iar unele cazuri până
la 15 000 – 30 000 rot/min, debite de la 1-8 000 rot/min cu puteri până la 3 500 kW.
Motoarele hidrostatice rotative trebuie să asigure o mare stabilitate a
mişcării, într-un domeniu larg de variaţie a mărimilor de ieşire (între valorile 1 sau
chiar 0,1 rot/min, până la 2000-3000 rot/ min, la maşinile unelte cu comenzi
numerice) şi un mare raport între cuplul motor şi cel de inerţie, care, pentru
motoarele de cca. 200kW şi mai mari, este de 50-60 ori mai mare decât la motoarele
electrice de curent continuu, iar la cele de puteri mici, 160-200 ori mai mare.
Motoarele hidraulice liniare trebuie să asigure o viteză constantă a organului de
lucru şi o mare frecvenţă de inversare. Drept criteriu de clasificare a acestor pompe
şi motoare se va folosi traiectoria de mişcare a organului activ (cupele active la
pompe şi mecanismul de ieşire la motor).[1,11,27]
În consecinţă pompele şi motoarele se vor împărţi în două grupe mari:
rotative, (circulare) şi liniare.
35
2.4.3 Pompe şi motoare hidrostatice circulare
Referitor la clasificarea acestor maşini hidraulice nu se va mai folosi criteriul
reglabilităţii, deoarece în ultimii ani nu se mai poate vorbi de o demarcaţie precisă
între cele reglabile şi nereglabile, întrucât unele pompe şi motoare considerate ca
fiind tipice prin caracterul lor nereglabil (ca, de exemplu, cele cu angrenaj) au
devenit reglabile.
În consecinţă pompele şi motoarele rotative vor fi grupate, în funcţie de
criteriul funcţional constructiv al elementului activ, în: pompe şi motoare cu
pistonaşe axiale şi radiale, cu angrenaj, cu palete etc.
2.4.3.1 Pompe şi motoare cu pistonaşe axiale
Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive
Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale sunt cele mai răspândite în
acţionările hidrostatice din construcţia de maşini, fiind realizate într-o mare varietate
constructivă. În (fig.2.1) sunt prezentate câteva scheme de principiu ale
acestora.[1,11]
Astfel, pompele, (motoarele) din (fig.2.1.a,b,c,d şi e) sunt cu bloc rotitor, iar
cele din (fig.2.1. f şi g) sunt cu bloc fix. Pompele din (fig.2.1) a şi b sunt cu acţionare
interioară prin ax, iar cele din (fig.2.1) c cu acţionare exterioară. Variantele din
(fig.2.1 d şi e) sunt cu legături cardanice duble între blocul cu cilindri şi discul de
antrenare în timp ce celelalte sunt fără legătură cinematică “rigidă” între pistonaşe
şi discul alternativ, aşa zisele pompe şi motoare fără legătură cardanică şi fără bilă
(tijă). O altă variantă, de data asta mai recentă, este prezentată în (fig.2.1 g) şi se
referă la pompe cu distribuţie prin supape, care pot lucra la presiuni foarte mari.
Gradul de răspândire a acestui tip de pompe şi motoare constă în faptul că
acestea au cea mai bună caracteristică de gabarit şi greutate pe unitatea de putere,
deci cele mai ridicate calităţi dinamice. Astfel, de exemplu, la o greutate de 1 kg
revine o putere de cca. 5kW.
Caracteristica de bază a acestor maşini hidraulice este un moment de inerţie
mic şi constant, datorită distribuţiei simetrice a elementelor mobile faţă de axa de
rotaţie, existând, deci o echilibrare perfectă a elementului mobil.
Turaţiile pompelor de putere medie sunt cuprinse între 100 şi 2500 rot/min,
iar turaţia motoarelor poate fi mărit până la 4000-4500 rot/min. în aviaţie se folosesc
astfel de pompe la turaţii de 3000-4000 rot/min, iar în unele cazuri (ca de exemplu,
firma Vickers) se construiesc pompe cu nmax=20 000-30 000 rot/min şi nmiin=5-10
rot/min.[1,11,27]
Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale se construiesc pentru presiuni
cuprinse între 210 şi 700 daN/cm2, debite variind între 3-4 l/min şi 800 l/min, puteri
până la 3 500 kW (pentru laminoare) şi momente până la 800-900 kgfm.
36
Fig.2.1.
Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie[1,11]
Calcului debitului şi pulsaţiei sale. Din (fig.2.2) se constată că la o rotaţie a
blocului cu cilindri 1 şi a discului înclinabil 2 cu un unghi , pistonaşul 3 parcurge
o distanţă x, iar după o rotaţie =180, acest pistonaş parcurge o cursă completă,
egală cu h. în consecinţă debitul elementar pentru un pistonaş de secţiune s poate fi
exprimat:
37
Fig.2.2.Schema functională a pompei cu pistonaşe axiale[1,11]
Debitul instantaneu specific se poate calcula cu relaţia:
1.2sinsinsincos
3.2sinsinsinsin
qsRRRsdsdxdq
qRsdt
dsR
dt
dxssvq
p
inst
iar debitul total poate fi exprimat prin relaţia:
2.2sin2
sinsin 0
2
000 Rznd
xdznsRznqQ p
în care z reprezintă numărul de pistonaşe.
Dacă se analizează debitul instantaneu, se constată că acesta are o variaţie în
timp după o funcţie periodică sinusoidală, debitul total oscilând deci între două
limite, Qmax şi Qmin . Pentru aprecierea caracterului pulsatoriu, se obişnuieşte să se
determine coeficientul de pulsaţie, ca raport între diferenţa valorilor extreme şi
debitul mediu.
2.4.4.2 Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale
Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive
Pompele cu pistonaşe radiale au o suficient de mare răspândire, având
avantajul că, printr-o dispoziţie a pistonaşelor pe mai multe rânduri, se pot obţine
debite foarte mari, iar elementul de distribuţie, dată fiind dispoziţia radială a
pistoanelor, este mai simplu. În schimb, au dezavantajul unor condiţii inerţiale
inferioare celor cu pistonaşe axiale, datorită distribuţiei nesimetrice a unor mase de
38
rotaţie, cea ce limitează valorile turaţiilor maxime şi, deci, şi gabaritul lor este mai
mare.[1,11]
Fig.2.3. Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale
În (fig. 2.3) se dau două scheme de principiu ale acestui tip de pompe şi
motoare, din care rezultă că acestea pot fi subîmpărţite în două grupe distincte: cu
aspiraţie (alimentare) interioară (fig. 2.3 a) şi cu aspiraţie (alimentare) exterioară.
Din aceste scheme se constată că, în prima fază 0-, are loc aspiraţia, iar în faza -
2, refularea. O altă clasificare principală poate fi făcută după ciclul funcţional.
Astfel, cele din figurile 2.3, 2.5 şi 2.8 sunt cu simplă acţiune (la o rotaţie, pistonaşele
realizează o cursă dublă şi, deci, o singură aspiraţie şi refulare), iar cu acţiune
multiplă sunt cele din figurile 2.4 şi 2.5, la care pistonaşele realizează mai multe
curse duble la o rotaţie, şi, deci, tot atâtea curse de aspiraţie şi refulare.
Pompele şi motoarele cu pistonaşe radiale se construiesc pentru puteri mari,
până la 3 000 kW, pentru debite până la 8 000 l/min, la presiuni care merg până la
300 daN/cm2 (pentru debite mici). De regulă, pentru presiuni de peste 300 daN/cm2
se recomandă folosirea unor motoare cu pistoane radiale de construcţie deosebită,
având distribuţie cu supape. Relativ la turaţii, din motive dinamice, cum s-a mai
arătat, aceste maşini se construiesc în două variante: de turaţie obişnuită, 1 000-1
500 rot/min, şi de turaţii joase, cu acţiune multiplă, care pot lucra stabil la turaţii sub
1 rot/min, până la nmax=100 rot/min sau până la 500 rot/min. aceste pompe şi
motoare de turaţii joase pot lucra la momente ridicate, până la 5 000 kgfm.
La o serie de pompe şi motoare, construcţia pistoanelor este simplă, fără
ghidare forţată, în care cazuri se recomandă diametre ale pistoanelor peste 16 mm
la turaţii până la 1 000 rot/min, şi peste 22 mm, la turaţii de până la 750 rot/min,
pentru a avea o masă suficientă, care să le asigure o cursă completă de lucru.
Ca o excepţie de la regulile arătate, motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie
exterioară din fig. 2.5, este recomandat de firmele străine ca putând să asigure un
larg domeniu de reglare stabilă (comparabile cu motoarele cu pistonaşe axiale),
39
***
200
n
nR
min
max
n , datorită dispoziţiei favorabile a momentelor date de fiecare
piston în raport cu excentricitatea (fig.2.4).
Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie
Calculul debitului şi pulsaţiei sale. Din fig. 2.6 se vede că debitul elementar
poate fi exprimat în forma: 1.2sincoscos dpseeRsdsdpdp
debitul total poate fi exprimat prin relaţia:
2.22
sin2
000 ez
ddseznznqQ p
Dimensionarea elementelor principale se face pornind de la debitul necesar.
Diametrul pistoanelor se determină prin relaţia 2.5. Diametrul axului de distribuţie
poate fi determinat cu relaţia empirică
3.26...5 mmQD
unde Q se ia în 1/min. diametrul bucşei de fricţiune, D, poate fi calculat cu relaţia:
4.25,1 ab DD
Diametrele rotorului şi, respectiv, statorului pot fi determinate cu relaţiile:
5.22;4 rsbr DDdcDD
lungimea pistonaşelor poate fi determinată, în funcţie de diametrul acestora,
cu relaţia:
6.3d5,3...5,2l
sau în funcţie de excentricitate. Excentricitatea e, poate fi aleasă în funcţie de debit;
astfel, pentru debite cuprinse între 50 şi 400 l/min, se recomandă valorile e=10…14
mm. Excentricitatea poate fi determinată şi în funcţie de raza rotorului, cu relaţia
e/R0,05. Numărul de pistonaşe se aleg, de asemenea, în funcţie de debit
(capacitate).[1,11,12,27]
40
Fig.2.4. Motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie exterioară[1,11]
Fig.2.5. Repartiţia mometelor date de piston în raport cu excentricitatea[1,11]
Fig.2.6. Calculul debitului şi pulsaţiei
41
2.4.3.3 Pompe şi motoare cu palete
Pompele şi motoarele cu palete sunt unele din cele mai simple maşini
hidraulice. Având în vedere simplitatea constructivă, siguranţa în funcţionare şi
capacitatea, sunt destul de larg răspândite în construcţia de maşini, întâlnindu-se
într-o serie destul de mare de variante constructive. Astfel, cele mai simple tipuri
sunt pompele şi motoarele cu acţiune simplă, de regulă cu debit (capacitate)
reglabilă, cu aspiraţie exterioară sau interioară (fig.2.7 a şi b). aceste pompe sunt
compuse din carcasa statorică 1, palete 2, rotorul 3, şi axul motor 4. Denumirea lor
este dată de modul de alimentare cu lichid. Pompele şi motoarele cu acţiune simplă,
în general, de presiune medie, nedepăşind 100 daN/*cm2, datorită unor forţe radiale
neechilibrate. Debitele acestora merg până la 250l/min.[1,11]
Fig.2.7. Pompe cu aspiraţie exterioară şi interioară[1,11]
Pompele şi motoarele cu palete cu acţiune multiplă (fig 2.8, a şi b ), care sunt
nereglabile, sunt datorită echilibrării forţelor radiale şi a reluării multiple pe
perioada unui ciclu, foarte compacte, utilizându-se pentru presiuni până la
175daN/cm2 , la turaţii, pentru pompe, cuprinse între 1000-3000 rot/min; la motoare
această turaţie poate fi mărită de 1,5…2 ori. Debitele acestor pompe pot ajunge până
la 950 l/min. Dacă se montează două pompe înseriate se pot obţine presiuni până
la 250 daN/cm2 .
Fig.2.8. Pompe şi motoare cu palete cu acţiune multiplă[1,11]
42
Referitor la forma constructivă a paletelor se constată că, în ultima vreme, pe
lângă construcţia clasică (fig. 2.9, a, b, c, d, e, f, ) au apărut forme noi, ca cele arătate
în ( fig. 2.9 g, h, I, j). Aceste forme permit o descărcare a statorului de forţe de
presiune prea mari; de exemplu, în capetele înclinate cu pante opuse formează o
cameră închisă 3, care comunică cu camera 4 de la baza paletei, printr-un canal de
mare rezistenţă hidraulică. Ca rezultat, în camera 3 apare o presiune de descărcare
sub valoarea presiunii din camera 4, asigurându-se astfel şi un contact permanent al
paletei cu statorul. Descărcări similare se realizează şi la paletele din (fig. 2.9, h, I,
j).
De regulă, camerele 4, de sub palete, comunică cu camerele de refulare şi
aspiraţie în cele două semicicluri şi sunt izolate în zona l (fig.2.9 k şi l). În această
zonă are loc o descărcare a paletelor, deoarece presiunea în cele două camere 3 şi 4
devine o medie aritmetică , p/2, a diferenţei de presiune dintre camerele de aspiraţie
şi refulare. În zona de aspiraţie lipseşte presiunea necesară asigurării unui contact
sigur între paletă şi stator, motiv pentru care sub palete se introduc şi arcuri de
siguranţă (nereprezentate în fig. 2.9). pentru reducerea şocului de încărcare radială
a paletei de către presiunea din camera de refulare, la trecerea paletei înspre această
cameră (fig.2.9, l), se prevede un canal prelungit, care, cum s-a mai arătat, se
foloseşte şi la alte tipuri de pompe şi motoare.
Fig.2.9. Tipuri constructive de palete [1,11]
43
2.4.3.4 Pompe şi motoare cu angrenaj
Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive
Pompele cu angrenaj sau pompele cu roţi dinţate, cum li se mai spune, au o
mare răspândire în construcţia de maşini, datorită simplităţii constructive, preţul de
cost redus şi unei mari siguranţe în funcţionare. Acestea se utilizează pentru o mare
gamă de presiuni şi debite. [1,11]
Pompele cu roţi dinţate pot fi clasificate după: 1) tipul angrenajului
(elvolventic sau cicloidal); 2) forma danturii (interioară, exterioară, cu dinţi drepţi,
înclinaţi sau în v); 3) valoarea nominală a presiunii (joasă presiune, presiune medie
şi înaltă presiune); 4) reglabilitate (cu debit sau capacitate constantă şi reglabilă); 5)
numărul rotoarelor (birotor şi multirotor), figura 2.10.
Fig.2.10. Scheme de principiu folosite în construcţia pompelor cu angrenaj
În figura 2.10 sunt prezentate câteva din schemele de principiu folosite în
construcţia pompelor cu angrenaj. Astfel în figura 2.10.a este reprezentată o pompă
cu doi rotori, la care se poate urmării şi principiul de funcţionare.
44
La aceste pompe rolul de cupe îl au golurile dintre dinţii care transportă
lichidul din camera de aspiraţie în camera de refulare, în sensul săgeţilor.
Tot în aceiaşi figură se pot remarca şi simplitatea constructivă, în
componenţa pompei intrând, în afară de rotor, carcasa 1 şi axele 2 şi 3. În figurile
2.10 b, c, d şi e sunt prezentate schemele de principiu ale unor pompe multirotori,
la care, în afară de avantajele măririi debitelor şi echilibrării forţelor radiale, se pot
realiza şi o serie de trepte de presiune, prin legarea rotorilor în serie (refularea unui
cuplu de rotori se leagă la aspiraţia celui de-al doilea etc.), sau în serie-paralel, ceea
ce măreşte randamentul volumic şi domeniul de presiuni.
Spre deosebire de schemele precedente, la care variantele prezentate sunt un
avantaj exterior, în figura 2.10 f şi g, se prezintă două pompe cu angrenaj interior.
Astfel în figura 2.10 f, este reprezentată o pompă clasică cu angrenaj interior
care funcţionează după acelaşi principiu ca şi cele cu angrenaj exterior, acestea au
avantajul unei compactităţi mai mari, dar, în schimb, au şi o construcţie mai
complicată, motiv pentru care nu au primit o răspândire mai mare.
În (fig. 2.10 g), este prezentată o pompă orbitală sau satelitică, cu profil
cicloidal şi care, în ultimii ani, a căpătat o răspândire mai mare, datorită unor
avantaje ca, randamentul ridicat, o uniformitate mai mare a debitului decât la cele
obişnuite, compactitate mare.
Aceste construcţii se folosesc în special ca motoare, fiind superioare în multe
privinţe motoarelor hidrostatice clasice.[1,11,12,27]
În (fig. 2.10 h), este prezentată o variantă mai recentă a motoarelor orbitale
denumite motoare vectoriale, care au avantajul folosirii danturii evolventice şi se
caracterizează printr-un cuplu ridicat, turaţii mici stabile, un moment de inerţie
extrem de redus, gabarit şi greutate de asemenea mult reduse faţă de alte motoare
similare.
Conform celor prezentate la acest motor, coroana dinţată 2 nu are mişcare de
rotaţie în raport cu axa roţii fixe 1, ci o mişcare oscilatorie în direcţie radială, astfel
încât centrul său se mişcă după un cerc cu raza r, formând cu pinionul arbore 3 un
angrenaj cu I=15/l. Jocul dinte coroanele 1 şi 2 este împărţit în 6 camere active cu
ajutorul paletelor superioare 4. Fiecărei camere îi corespunde un orificiu de
alimentare p1, practicat în partea laterală a motorului, şi unul de evacuare, p2.
Legătura camerei active cu unul sau altul din orificii şi cu canalul de distribuţie 5 se
asigură automat, prin mişcarea coroanei 2. Un motor hidraulic planetar de mare
moment şi stabilitate, de dată şi mai recentă este prezentat în (fig.2.10 I). Motorul
este compus din pinioanele motoare Z1…Z4, stator-coroană distanţă 1, fix, rotorul
2 şi camerele de alimentare3, 4, 5 şi 6. Rotorul este format din două părţi, asamblate
cu prezoanele 7 şi în care se montează axele şi, respectiv, lagărele pinioanelor Z1-
Z4. Alimentând cu lichid sub presiune camerele 3, 4, 5 şi 6 roţile Z1-Z4 se rotesc în
sensul săgeţilor n1, iar rotorul, împreună cu roţile Z1-Z4 în sensul săgeţii n2. Prin
modul de funcţionare, motorul constituie şi un reductor planetar. Pompele cu roţi
dinţate se folosesc pentru o gamă largă de presiuni, începând de la 3-5 daN/cm2 ,
(pentru pompele de ungere şi răcire) mergând până la pompe de 150-200 daN/cm2 .
45
Debitele acestor pompe sunt cuprinse între 10 şi 1000 l/min, iar turaţiile între 1000
şi 3000 rot/min. În unele cazuri, pentru debite mici, unele firme construiesc pompe,
cu lagăre de alunecare, la turaţii de 12000-18000 rot/min.
Fig.2.11. Pompe cu angrenaj[1,11,27]
În figurile 2.11 a, b, sunt prezentate unele construcţii de pompe cu angrenaj.
Astfel, în figura 3.11 sunt prezentate două pompe de construcţie obişnuită, prima,
cu lagăre de alunecare, cea de-a doua, cu rulmenţi. În (fig. 2.12) este prezentată o
pompă de înaltă presiune (100 daN/cm2 ) cu compensare automată a jocurilor
frontale, cu lagăre de alunecare.
Două pompe de înaltă presiune ale firmelor Keelavite şi Hydreco, cu lagăre cu
rulmenţi şi care lucrează la presiuni de 140 daN/cm2 , sunt prezentate în (fig 2.12 a
şi b). pentru etanşarea pompei din (fig 2.12 b), se folosesc două membrane
bimetalice1, la care, pe partea dinspre rotori, este depus un strat de bronz (Sn-8,96%;
Pb-9,87%; Cu-81,17%). Creşterea etanşării se realizează prin compensarea jocului
frontal dintre rotori şi membrane prin presiunea lichidului asupra membranelor.
Compactitatea acestei pompe se obţine prin folosirea unor rulmenţi cu role de înaltă
calitate şi portanţă, capabili a prelua sarcinile mari ce acţionează în lagăre.
În ţara noastră sunt tipizate pompele cu roţi dinţate având volumul geometri
Vg cuprins între 2 şi 125 cm3 /rot, presiunile nominale pn=25daN/cm2 şi
pn=100daN/cm2, turaţiile cuprinse între 750 şi 3000 rot/min şi debite cuprinse între
16 şi 160 l/min.
Calculul debitului pulsaţiei de debit şi momentul pentru pompele de danturi
evolventice multirotor. Dacă se foloseşte metoda echivalenţei 2.1 debitul elementar
furnizat de o pereche de dinţi se poate scrie sub forma:
7.21
Mdp
dq
46
Rotorul conducător este descărcat de forţe radiale, dar asupra rotorilor
conduşi acţionează forţele Fr care pot fi exprimate cu relaţi
8.24,1 2
er pdF
Pompe cu pistoane profilate (fig. 2.12) funcţionează similar cu cele cu roţi
dinţate cu deosebirea că profilul dintelui este similar cu cel al pompelor orbitale,
deci profilul cubiliniu. Numărul acestor dinţi este mic, 2 sau 3, iar contactul danturii
se face pe linia centrală. Aceste pompe n-au căpătat o răspândire mare.[1,11,12,27]
Fig.2.12. Pompe cu pistoane profilate
Motoare Harmann. Acestea (fig. 2.13) sunt motoare de înaltă stabilitate, care
se folosesc în subansamblurile amplificatoarelor de maşini unelte cu comanda
numerică. Firma garantează o funcţionare stabilă până la n=0,1 rot/min. la aceste
motoare alimentarea se realizează prin canalele b sau a, în funcţie de sensul de
mişcare al rotorului 2. Lichidul sub presiune pune în mişcare rotorul 2, prin
intermediul paletelor 3. Etanşarea se realizează cu ajutorul axelor segmentate 4, din
corpul 1, legate cinematic prin angrenaj cu rotorul, pentru sincronizarea mişcărilor
de trecere a paletelor. O altă variantă este prezentată în (fig. 2.14).
Fig.2.13. Motoare Hartmann
47
Fig.2.14. Motoare Hartmann cu axe segmentate
Motoare Rollstar.
Motoarele firmei Rollstar, (fig.2.15) cu rotor concentric, se folosesc la prese,
escavatoare, maşini de ridicat, maşini de frezat etc., fiind maşini de mare moment
(M=(765…3000)kgfm, la p=280daN/cm2 şi la n=260 rot/min). motorul poate
funcţiona stabil la turaţii între 1 şi 1000 rot/min.
Rotorul-piston 1, cu 6 palete proeminente 2 din aceeaşi bucată, are o foarte
mică inerţie. Echilibrarea statică şi dinamică se asigură prin montarea diametral
opusă a camerelor de alimentare şi evacuare, precum şi prin prezenţa unor camere
de descărcare. Motorul este inclus într-un bloc cu reductor planetar cu 1,2 sau 3
trepte de cuplare. Ca principiu de funcţionare, aceste motoare se aseamănă cu
motoarele Hartman.
Fig.2.15. Motorul Rollstar
2.4.3.5 Pompe şi motoare liniare
În cadrul acestui paragraf vor fi prezentate acele pompe şi motoare la care
elementul activ (plonjorul sau pistonul) are o mişcare rectilinie cu un singur grad de
libertate. Este vorba, aici, de pompele cu plonjor, cu excentic, de motoarele rectilinii
etc.
Pompe cu plonjoare şi excentric. Pompele clasice cu plonjoare, de construcţie
verticală sau orizontală (2.10) (folosite în special la staţiile de pompare de la presele
hidraulice), cu bielă manivelă (fig. 2.16), au suferit în ultima perioadă modificări
constructive, care le-a permis creşterea substanţială a presiunii, de la 300-350
48
daN/cm2 la 2000-3000 daN/cm2. În (fig.2.17) se prezintă scheme pentru astfel de
pompe.
Fig.2.16. Pompe liniare cu mecanism bielă manivelă
Figura 2.17 a, reprezintă o pompă cu plonjor 1, acţionată cu camă sau
excentri 4, având distribuţie cu supape (2 şi 3) şi capabilă să funcţioneze până la
presiuni de 1000 daN/cm2. Similare ca principiu de funcţionare, dar cu dispunerea
plonjoarelor diametral opuse, în linie sau radial, sunt şi pompele prezentate în (fig.
2.17, b şi c respectiv d). la pompa din (fig.2.17, b) este caracteristic faptul că
aspiraţia se realizează, nu prin supape, ci prin canalele a’, după trecerea plonjorului
b’ de canalul circular c’.
49
Fig.2.17. Pompe cu plonjor
În (fig.2.18) este prezentată o pompă de presiune ultraînaltă cu excentric,
prevăzută cu multiplicator inclus pentru fiecare plonjor, realizând o presiune de
peste 4000 daN/cm2.
Fig.2.18. Pompă de înaltă presiune
50
Calculul debitului şi pulsaţiei de debit. Schema de principiu a unei pompe cu
excentric este reprezentată în (fig. 2.19). prin rotaţia excentricului 1 şi sub acţiunea
arcului 3, plonjorul 2 se va deplasa în sus sau în jos, realizând refularea, şi, respectiv,
aspiraţia, prin supapele 4 sau 5. Debitul pompei poate fi calculat cu expresia:
9.22
0
2
0 eznd
qnQ
pentru cazul obişnuit şi cu relaţia:
10.224
0
2
0 znxed
qnQ
pentru cazul când supapa de aspiraţie este montată în capul pistonului, cursa acestuia
micşorându-se, în acest caz cu valoarea x. Pentru determinarea pulsaţiei de debit
este necesar a se calcula debitul instantaneu specific (2.17):
11.22
2sin
44
22
r
einwe
dv
dqins
unde r este axa excentricului, iar unghiul poziţional.
Coeficientul de pulsaţie se determină în mod similar cu cazurile
precedente.
Alegând în mod corespunzător înălţimea maximă de deschidere a arcului
forţa de pretensionare, se poate asigura o funcţionare normală a supapelor la turaţii
de până la 6000-8000 rot/min.
Fig.2.19 Motoare hidraulice rectilinii (liniare)
51
Scheme şi variante constructive. Motoarele hidraulice rectilinii au o foarte
largă răspândire în sistemele de acţionare hidrostatică. Aceste motoare pot fi
clasificate, după criterii funcţionale şi constructive, în: motoare cu acţiune simplă
sau dublă, motoare simple sau diferenţiale, motoare cu piston sau plonjor, motoare
mono sau multicilindru, precum şi diverse combinaţii ale acestora.[1,11,12,27]
În (fig. 2.21) sunt prezentate o serie de scheme de principiu ale motoarelor
rectilinii, şi anume: a – motor monocilindru, diferenţial cu acţiune dublă, cu piston
mobil; b – acelaşi tip însă cu cilindru mobil; c – motor monocilindru cu acţiune
dublă şi tija dublă (nediferenţial) cu piston mobil; d – acelaşi tip, dar cu cilindru
mobil; e – motor bicilindru cu plonjor, cu acţiune dublă, cu plonjoare mobile; f –
acelaşi tip, cu cilindru mobil; g – motor bicilindru diferenţial, cu piston mobil, cu
acţiune dublă; h – motor bicilindru diferenţial, cu piston fix, telescopic; I – motor
diferenţial, bicilindru, telescopic, cu piston mobil; j – motor monocilindru, cu piston,
cu acţiune simplă; k – motor tricilindru, diferenţial, telescopic, cu pistoane mobile;
l – motor multicilindru, diferenţial telescopic cu piston şi plonjor mobil; m – motor
cu simplă acţiune cu plonjor principal şi plonjoare auxiliare; n – motor cu plonjor
principal diferenţial cu acţiune simplă şi cu plonjoare diferenţiale; o – motor
combinat, cu plonjor principal şi cu motoare auxiliare cu pistoane cu dublă acţiune;
p – motor principal cu piston cu acţiune dublă şi cu plonjoare cu acţiune simplă.
Din figurile prezentate se constată că unele motoare au o cursă L=H, iar altele
au H în funcţie de construcţia acestora.
Fig.2.21. Pompe şi motoare axiale
52
2.5 Calculul motoarelor hidraulice rectilinii
Calculul motoarelor hidraulice rectilinii constă în determinarea presiunii şi
debitului necesare realizării forţei active la piston şi, respectiv, vitezei de lucru şi de
mers în gol pe care motorul trebuie să le dezvolte.
Forţa activă dezvoltată de motorul hidraulic depinde de suma tuturor forţelor
rezistente şi va fi realizată de presiunea activă pa care va putea fi determinată din
ecuaţia de echilibru static:
12.2021 Rspsp ea
în care R reprezintă suma forţelor rezistente, care, conform (fig. 2.22), poate fi
exprimată prin relaţia 3.13:
Fig.2.22 Model de entanşare al motoarelor hidraulice
13.21
1
i
sghfletdt
dvmFFFR
în care: Fetx1 reprezintă forţa de frecare într-un anumit element de etanşare; Ffgh -
reprezintă forţa de frecare în ghidaj; Fs este sarcina activă; nt
dvm 1 - forţa dinamică
(inerţia).
Din expresia 2.12 se determină presiunea activă în motor:
14.211
2
s
f
s
spp ea
iar presiunea de lucru a pompei de acţionare a motorului se determină cu expresia:
53
15.21
1
i
ap ppp
unde: 1
p este suma pierderilor de presiune liniare şi locale în conducte, armături,
aparate, etc., montate pe traseul hidraulic între pompă şi motor.[1,11,12,27,32]
Determinarea factorilor din membrul al doilea ai relaţiei 2.13 nu prezintă
dificultăţi, cu excepţia forţei dinamice, care se va calcula în cele ce urmează. Pentru
determinarea secţiunii active a motorului în expresia 2.14 se consideră că evacuarea
lichidului la rezervor se face liber, deci p0 şi în consecinţă:
Fig.2.23. Suma forţelor rezistente într-un motor hidraulic liniar
16.2
4
22
11
ep
RdDs
În cazul în care forţa ce acţionează în tijă este aceeaşi în ambele părţi (tijă
egală dublă), diametrul tijei se poate lua 2
Dd i iar diametrul cilindrului rezultă:
17.28
e
ip
RD
iar dacă tija este unilaterală, diametrul DI va avea valoarea:
18.24
e
ip
RD
Având în vedere că relaţia 2.18 dă mai multe soluţii, se alege în prealabil o
valoare optimă a presiunii active pa, după care se poate determina diametrul
cilindrului. În ultima vreme, pe baza tehnicilor moderne de calcul, s-a stabilit ca
valoarea optimă a presiunii pa=50…150 daN/cm2 în sistemele de acţionare
hidraulică a maşinilor unelte, şi pa=100…250 daN/cm2, pentru sistemele hidraulice
54
de acţionare a maşinilor şi utilajelor mobile. Pentru presele hidraulice 50…500
daN/cm2, iar pentru cele de mare tonaj presiunea pa merge până la 2000 daN/cm2 şi
chiar mai mult. Cunoscând forţa maximă dezvoltată de motorul hidraulic se poate
determina şi debitul Q necesar pentru realizarea unei viteze v1, din egalitatea:
19.26126120
1 em QpvFP
deunde:
20.210
1
e
m
p
vFQ
În cazul acţionării hidraulice la maşinile-unelte, dimensionarea cilindrului se
face după alte criterii, avându-se în vedere asigurarea unei rigidităţi maxime a
sistemului, deci prezenţa unei cantităţi minime de lichid în motor.
2.6 Motoare hidraulice oscilante
Motoarele hidraulice oscilante se întâlnesc mai rar decât cele rotative sau
liniare, şi anume atunci când organul de lucru necesită o mişcare de rotaţie
incompletă oscilantă, cu unghiul de oscilaţie (ca, de exemplu, în lanţurile
cinematice de avans intermitent de la maşinile unelte, în reglarea automată a
debitului unor pompe şi la diverse alte servocomenzi). Aceste motoare se întâlnesc
sub două variante constructive (fig.2.24, a, b, c).
Fig.2.24. Motoare hidraulice oscilante
55
2.6.1 Calculul motoarelor hidraulice oscilante
Din figura 2.25 se poate determina:
Fig.2.25. Calculul motorului hdraulic oscilant
Momentul teoretic dezvoltat de motor la arbore:
21.2
842
22 dDpbdDbdDp
PRM
pentru motorul cu paletă oscilantă (fig. 2.25, a), sau:
22.28
22 dDpxb
M
pentru motoarele cu z palete; pentru motoarele cu plonjor, în mod similar:
23.24
2 pFdM
În cele trei relaţii p reprezintă diferenţa de presiune dintre camerele de
alimentare şi evacuare ale motorului şi care, în cazul pa0, se poate aproxima p=pa=p.
Motoarele oscilante pot fi folosite pentru momente mari şi presiuni ridicate, până la
200 daN/cm2.
56
3. MOTOARE TERMICE
3.1 Generalităţi
Motorul este o maşină care are rolul de a transforma o formă de energie, în
energie mecanică. După forma de energie primară folosită, motorul primeşte
denumirea sa. Astfel, motorul care foloseşte energia unui lichid se numeşte motor
hidraulic. Motorul care foloseşte energia cinetică a maselor de aer (forţa vântului),
se numeşte motor eolian sau aeromotor. Motorul care foloseşte energia electrică, se
numeşte electromotor.[1,8,18,20,21]
Motorul care foloseşte drept formă de energie primară căldura, se numeşte
motor termic. Toate aceste forme de motoare, folosind o formă de energie, produc
energie mecanică pe care noi o obţinem sub formă de mişcare de rotaţie. Cu ajutorul
motoarelor, acţionăm diferite maşini unelte sau maşini lucrătoare.
Încă din vechime omul a căutat sursa de energie care să nu oblige aşezarea
instalaţiei producătoare de forţă într-un anumit loc, ca în cazul motoarelor hidraulice
si eoliene. În acest scop, au fost făcute diferite încercări pentru folosirea aburului.
La începutul secolului al XIX-lea, maşinile cu aburi încep să fie folosite nu
numai ca maşini staţionare ci şi în procese mobile. La maşina cu aburi, arderea
combustibilului are loc într-un focar separat, iar transformarea energiei termice în
energie mecanică se face în cilindrul unui motor.
Deoarece arderea combustibilului are loc în afara cilindrului motorului, ele
au fost denumite motoare termice cu ardere externă. La aceste motoare pierderile
de căldură sunt foarte mari şi ca urmare randamentul lor termic este scăzut.
Pierderile de căldură pot fi evitate numai dacă combustibilul se arde direct în
cilindrul motorului. Asemenea motoare la care arderea combustibilului se produce
în interiorul cilindrului, se numesc motoare termice cu ardere internă.
La motoarele termice cu ardere internă, transformarea energiei termice în
lucru mecanic are loc chiar în interiorul cilindrului. Fiindcă arderea combustibilului
are loc direct în cilindrul motorului, aceste motoare sunt mai economice decât
motoarele cu aburi.
În afară de aceasta, motoarele cu ardere internă mai au avantajul că prezintă
o construcţie compactă, dimensiuni mai mici, au pornire şi oprire rapidă şi uşoară.
3.2 Clasificarea motoarelor cu ardere internă
Motoarele cu ardere internă pot fi clasificate în mai multe feluri, după o serie
de factori care caracterizează construcţia motorului şi determină tipul lui.
După destinaţie: motoare staţionare, carosabile, auto transportabile. Acestea
din urmă pot fi: de tractor, automobil, avion, etc.
57
După felul formării amestecului carburant: motoare cu formarea
amestecului în exterior, numite motoare cu carburator, şi motoare cu formarea
amestecului în interiorul cilindrilor, care sunt motoarele Diesel şi motoare cu
catalizator.
După modul de aprindere al amestecului carburant: motoare cu aprindere
de la scânteia electrică, motoare cu aprindere de la un corp incandescent numit
calorizor sau cap de aprindere, motoare cu aprindere prin compresie (motoare cu
autoaprindere sau Diesel).
După modul de efectuare a procesului de lucru: motoare în doi timpi şi
motoare în patru timpi. [1,8,18,21,33]
După numărul cilindrilor: cu un cilindru sau monocilindric şi cu mai mulţi
cilindri sau policilindrice, care pot fi cu 2, 3, 4, 6, 8, 12 cilindri etc.
După poziţia cilindrilor: motoare cu cilindri aşezaţi vertical, orizontal, în
linie, în stea, în unghi sau în V.
După turaţia arborelui cotit: motoare cu turaţie mică sau lente şi motoare cu
turaţie mare sau rapide.
După modul cum se face răcirea motorului: motoare răcite cu aer şi motoare
răcite cu apă.
Caracterizarea completă a unui motor poate fi făcută prin numerarea cel puţin
a unui părţi din criteriile principale de clasificare, spre exemplu: motor staţionar, cu
combustibil lichid, Diesel, în patru timpi, cu 2 cilindri verticali, cu turaţie mică şi
răcire cu apă.
Destinaţia motorului determină în mare măsură construcţia lui. Astfel,
greutatea motorului joacă un rol de seamă la motoarele de automobile şi de tractoare,
fiind de mai mică importanţă la cele staţionare.
De asemenea şi felul combustibilului folosit determină construcţia motorului.
Motoarele care funcţionează cu petrol, benzină şi alţi combustibili uşori au sistemul
de alimentare construit cu totul diferit faţă de motoarele care funcţionează cu
motorină.
3.3 Procesele termodinamice de bază
În termodinamică, sunt patru procese sau transformări caracteristice şi
anume:
- transformarea izocoră sau la volum constant;
- transformarea izobară sau la presiune constantă
- transformarea izotermă sau la temperatură constantă;
- transformarea adiabată, care decurge fără schimb de căldură cu mediul
exterior.
În afară de aceste procese sau transformări, în cursul cărora variază unul sau
doi parametri, mai există o grupă de procese la care variază toţi parametri şi are loc
schimbul de căldură şi mediul exterior.
58
Asemenea transformări se numesc transformări politrope.
O transformare politropă poate cuprinde cele patru procese enumerate mai
sus şi o serie de procese intermediare reprezentând cazul general al tuturor celorlalte
procese.
3.3.1 Transformarea izocoră
Transformarea izocoră sau proces termodinamic izocor, se numeşte o
schimbare de stare a agentului motor, schimbare în cursul căreia volumul său
rămâne constant.
Acest proces se poate desfăşura numai într-un spaţiu închis, volumul
păstrându-se acelaşi în tot parcursul aportului sau cedării de căldură.
Grafic, în coordonatele pv (fig. 3.4) transformarea izocoră se reprezintă
printr-o linie dreaptă verticală, paralelă cu axa presiunilor, numită izocoră.
În această reprezentare toate punctele liniei procesului sunt egal depărtate de
axa presiunilor şi deci volumul va fi constant.[1,8,27]
Pentru cantitatea de 1kgf de gaz al cărei stare este reprezentată în diagrama
prin punctul 1, putem scrie ecuaţia de stare:
p1v =RT1
sau, acelaşi lucru, putem scrie sub forma:
v
R
T
p
1
1
Partea din dreapta a egalităţii fiind constantă, înseamnă că şi partea din
stânga, adică raportul
1
1
T
p va fi constant.
Dacă transformarea decurge de la starea 1 la starea 2, arbitrar luate de noi,
pentru cele două stări vom avea:
v
R
T
p
1
1 şi v
R
T
p
2
2
de unde rezultă că:
9.32
1
2
1
2
2
1
1
T
T
p
psau
T
p
T
p
Aceasta rezultă că în transformarea izocoră, presiunile gazului sunt direct
proporţionale cu temperaturile sale absolute.
59
Fig.3.4. Transformarea iyocoră în coordonate p-v[8.27]
În procesul izocor volumul fiind constant rezultă că nu se va efectua lucrul
mecanic, adică:
l = 0
În acest caz ecuaţia primului principiu al termodinamicii va avea o formă
simplificată, fără termenul care reprezintă lucrul mecanic, adică
q = u2 - u1 kcal/daN (3.10)
sau:
q = cv(T2 – T1) kcal/daN (3.11)
în care: cv este căldura specifică a gazului, la volum constant.
Ecuaţiile de mai jos arată că în procesul încălzirii gazului la volum constant,
toată căldura comunicată este folosită pentru variaţia energiei interne a gazului.
Dacă avem călduri specifice variabile, atunci luăm media, deci:
q = cvm(T2 – T1) kcal/daN (3.12)
în care: cvm este căldura specifică medie, în transformarea la volum constant.
Pentru o cantitate de G kg gaz, vom avea:
Q = Gcv(T2 –T1)
sau:
Q = Gcvm(T2 –T1)
Relaţia (4.10) a transformării izocore este o formă particulară a ecuaţiei
generale a primului principiu al termodinamicii care arată că, cantitatea de căldură
q, este consumată numai pentru variaţia energiei interne a gazului.
q = u2 – u1
Dar din studiul căldurilor specifice cunoaştem că pentru a încălzi la volum
constant 1 kgf de gaz, este necesară o cantitate de căldură
12v
TTcq
Rezultă că pentru 1 kgf de gaz, variaţia energiei interne va fi:
13.31212 TTcuu v
60
iar pentru G kg de gaz vom avea:
14.31212 TTGcUU v
În acest caz, ecuaţia primului principiu al termodinamicii poate fi scrisă sub
forma:
15.312 AlTTcq v
sau
16.312 AlTTGcQ v
3.3.2 Transformarea izobară
Transformarea izobară este o schimbare de stare a agentului motor, în cursul
căreia, presiunea rămâne constantă. Grafic, transformarea izobară poate fi
reprezentată în diagrama pv printr-o linie paralelă cu axa absciselor (fig.3.5). În
acest fel pentru orice poziţie cuprinsă între starea 1 şi 2 presiunile vor fi egale.
Analiza procesului pentru 1 kgf de gaz se face la fel ca în cazul transformării
izocore. [1,8,27]
Ecuaţia de stare (pv=RT) o putem scrie sub forma:
p
R
T
v
Deoarece partea dreaptă, pentru acest proces, este o mărime constantă rezultă
că şi partea stângă
ttanconsT
v
Fig.3.5. Transformarea izobară în coordonate p-v[8,27]
Acest lucru îl putem scrie pentru orice stare a procesului.
Deci, pentru starea 1 şi 2 avem
2
2
1
1
T
v
T
v sau 17.3
2
1
2
1
T
T
v
v
61
ceea ce reprezintă expresia matematică a legii Gay-Lussac.
Rezultă că în transformarea izobară volumele masei gazului sunt direct
proporţionale cu temperaturile lui absolute. Lucrul mecanic pentru 1kgf gaz va fi
egal cu produsul dintre presiune şi variaţia volumului specific sau dilatare, ceea ce
se poate scrie sub forma:
18.312 vvpI
Cunoscând ca în aportul de căldură la presiune constantă pentru 1 kgf de gaz
cu 1C, lucrul mecanic reprezintă constanta specifică a gazului R, putem scrie:
19.312 TTRI
Căldura exterioară care participă în acest proces va avea valoarea
20.312 TTcq p
în care:
cp este căldura specifică a gazului în transformarea la presiunea constantă.
Deoarece variaţia energiei interne nu depinde de caracterul procesului, ea se
va calcula după relaţia generală:
21.32 121 TTcuu v
Pentru G kgf de gaz, lucrul mecanic va fi:
22.32212 VVpGvGvplGL
iar cantitatea de căldură şi energia internă:
24.3
23.3
1212
12
TTGcUU
TTGcGqQ
v
p
Din (fig.3.5), se vede că în transformarea izobară gazul trecând de la starea
1 la starea 2 îşi măreşte volumul şi conform relaţiei 3.17 în starea 2 şi temperatura
gazului va fi mai mare.
Aceasta înseamnă că în procesul izobar, atunci când are loc o creştere a
volumului se face o acumulare de căldură şi gazul îşi măreşte temperatura. Invers,
dacă are loc o comprimare în care procesul decurge de la starea 2 la starea 1 se va
face o îndepărtare de căldură iar temperatura gazului scade. Diferenţa dintre
căldurile specifice ponderale la volum constant cv şi la presiune constantă cp este
dată de relaţia:
ARccvp
pe care o putem transcrie sub forma:
ARccvp
Dacă în această relaţie înmulţim ambele părţi cu T2-T1, vom avea:
25.3121212 TTARTTcTTc vp
După cum se vede, în partea stângă avem expresia cantităţii de căldură
necesară pentru încălzirea la presiune constantă a 1 kgf de gaz de la temperatura T1
la T2.
62
În partea dreaptă, primul termen reprezintă cantitatea de căldură pentru
încălzirea la volum constant a 1 kgf de gaz de la temperatura T1 la T2 ceea ce
constituie variaţia energiei interne u, iar termenul al doilea, lucrul mecanic exterior.
Dacă admitem că gazul a fost încălzit de la temperatura T1=0K, la temperatura
T2=TK, atunci relaţia (3.25) o putem scrie sub forma:
ARTTcTcvp
deoarece conform acestei ecuaţii de stare avem pv=RT, atunci:
ApvTcTcvp
sau ApvuTcp
Partea dreaptă a expresiei reprezentând suma unor mărimi termodinamice
care determină starea gazului, adică suma unor mărimi de stare, şi partea stângă a
expresiei va fi tot o mărime sau un parametru de stare. Această mărime se numeşte
entalpie sau conţinut de căldură.
Obişnuit entalpia se notează cu I, deci:
ApvuiTcp
sau 26.3Apvui
Entalpia unui corp reprezintă căldura totală care este furnizată acelui corp
sub presiunea constantă, de la o stare, convenţional denumită, starea iniţială.
Entalpia se calculează obişnuit de la 0K sau 0C, dar ca şi în cazul energiei interne,
nu interesează prea mult valoarea ei absolută, ci variaţia ei.
Entalpia poate fi calculată de la orice stare stabilită convenţional ca iniţială.
Dacă la temperatura T1 sau t1 pentru cv=constant, entalpia gazului este:
1p11p1
tcisauTci
iar la temperatura T2 sau t2:
2tcisauTcip22p2
atunci variaţia entalpiei pentru 1 kgf de gaz, la încălzirea lui de la temperatura T1 la
T2 sau t1 la t2 va fi:
12p12
TTcii
sau
27.31212 ttcii p
Din această relaţie se vede că entalpia, la fel ca şi energia internă, depinde de
temperatura gazului.
De asemenea se poate deduce că în procesul izobar, consumul de căldură
poate fi determinat prin relaţia:
28.312 iiqp
din care se vede că el este egal cu diferenţa dintre entalpia finală şi entalpia
iniţială. În cazul când în loc de călduri specifice constante avem călduri specifice
variabile, atunci se iau valorile căldurilor specifice medii şi vom avea:
63
tcisauTcipmpm
3.3.3 Transformarea izotermă
Transformarea izotermă sau proces izotermic se numeşte acea schimbare a
stării agentului motor, în cursul căruia temperatura lui rămâne constantă. [1,8,27]
Matematic, condiţia de desfăşurare a procesului se exprimă prin relaţia:
ctT
Să analizăm în acest caz procesul izotermic realizat de 1 kgf de gaz. Din
ecuaţia de stare:
pv=RT
Rezultă că partea dreaptă a ecuaţiei este constantă, deoarece atât R cât şi T sunt
constante. Urmează că şi partea stângă trebuie să fie constantă, adică: ctpv
Deci, pentru orice stare a gazului, produsul dintre presiune şi volum este
constant. În baza acestui fapt putem scrie relaţia:
ctvpvp2211 sau 29.3
1
2
2
1
v
v
p
p
Rezultă că în procesul izotermic presiunile gazului dat sunt invers
proporţionale cu volumele masei lui. Cunoscând valoarea constantei, putem
construi, în coordonate pv, curba acestui proces. Curba obţinută se numeşte
izotermă, iar în matematică o asemenea linie se numeşte hiperbolă echilaterală.
Pentru a determina caracterul unei asemenea curbe este suficient să avem
cinci puncte (fig.3.6). Dacă avem punctul 1 al gazului caracterizat prin parametrii
p1v1 şi făcând parte din curbă, pentru construcţia grafică a izotermei deducem prin
acest punct o paralelă cu abscisa şi o paralelă cu ordonata. Apoi din origine, după
voie, deducem nişte raze care întretaie cele două drepte în punctele aa’, bb’, cc’ şi
dd’.
Din punctele de întretăiere a şi a’, b şi b’ etc. trasăm paralelele cu abscisa şi
respectiv ordonata, paralele care se vor întretăia în punctele 2, 3, 4, 5 …
Fig.3.6. Transformarea izotermă în coordonate p-v[8,27]
64
Aceste puncte aparţin curbei izoterme şi prin reunirea lor obţinem curba dată.
În transformarea izotermă lucrul mecanic se determină prin relaţia:
l = p1v1ln 1
2
v
v sau: l = p1v1 2,3 log (3.30)
Ştiind că în acest proces raportul volumelor este invers raportului
presiunilor, prin înlocuire obţinem:
l = p1v1 2,3 log 2
1
p
p (3.31)
Dar produsul pv fiind egal cu RT, putem scrie:
l=RT12,3 log
1
2
v
v sau: l=RT12,3 log
2
1
p
p (3.33)
Pentru o cantitate G kgf gaz, lucrul mecanic va fi:
L=Gl unde L=2,3p1V1log
1
2
v
v
Sau:
L=2,3p1V1log
2
1
p
p sau: L=2,3GRT1log
2
1
p
p
Cantitatea de căldură care ia parte în procesul izotermic, o putem deduce
din formula generală a căldurii pentru 1 Kg de gaz:
Aluuq12
deoarece:
12v12
TTcuu
şi:
0TTdeciTT1212
vom avea:
1212
uusau,0uu
ceea ce arată că în procesul izotermic energia internă a gazului nu se schimbă, deci
toată cantitatea de căldură ce ia parte în proces se consumă pentru efectuarea lucrului
mecanic exterior. Un asemenea proces se numeşte un proces izodinamic.
În baza acestei concluzii putem scrie:
34.3Alq
iar pentru G kg gaz:
ALAl.GQ
Deoarece efectuarea lucrului mecanic este legată de dilatarea gazului, rezultă
că la dilatarea izotermă, trebuie comunicată gazului o cantitate de căldură
65
echivalentă lucrului mecanic necesar de efectuat, iar la comprimarea izotermă, trebuie
îndepărtată o cantitate de căldură echivalentă lucrului mecanic consumat pentru
comprimare.
3.3.4 Transformarea adiabatică
Proces adiabatic sau transformare adiabatică se numeşte procesul la care
schimbarea stării unui gaz (sau în general a unui agent motor) are loc fără schimb
de căldură între gaz şi mediul exterior.
Matematic aceasta se exprima prin relaţia: 0q
Respectarea acestei condiţii este posibilă în două cazuri şi anume:
când gazul supus transformării adiabatice este închis într-un cilindru complet izolat
încât căldura nu are posibilitatea să treacă prin pereţii cilindrului şi izolaţiei, sau
când procesul de transformare decurge extraordinar de repede şi nu are timp să se
producă schimbul de căldura dintre gaz şi mediul exterior. [1,8,27]
În practică asemenea procese sunt foarte greu de realizat şi se admit cu o
oarecare aproximaţie. De obicei în termotehnică sunt considerate procese adiabatice,
dilatarea şi comprimarea care decurg foarte repede. În coordonate pv, transformarea
adiabatică poate fi reprezentată grafic printr-o curbă numită adiabată, care se
deosebeşte de izotermă prin aceea că are o poziţie mai verticală (fig.3.7). Ecuaţia
transformării adiabatice reprezentată în coordonate pv, pentru l kg de gaz, are
expresia:
pvk=ct (3.35)
în care: k=v
p
c
c= 1,41 (pentru gazele biatomice) şi se numeşte exponent adiabatic.
În transformarea adiabatică parametrii de bază, p, v şi T variază, astfel că
trebuie să avem trei ecuaţii care să redea legătura dintre ei.
Dependenţa dintre p şi v este stabilită prin ecuaţia pvk = ct din care rezultă:
ctvpvpk
22
k
11 sau: 36.3
1
2
2
1
k
v
v
p
p
Fig.3.7. Poziţia reciprocă a izotermei şi adiabatei în coordonate p-v
66
Între v şi T legătura se stabileşte prin relaţia:
ctTv 1k din care rezultă că: ctvTvT
1k
22
1k
11
ceea ce poate fi scris sub forma:
37.3:
1
1
2
2
1
1
1
1
2
2
1
k
k
k
v
v
T
Tsau
v
v
T
T
iar legătura între p şi P se stabileşte prin relaţia:
ctp
T
k
1k
1
din care rezultă că:
ctp
T
p
T
k
1k
2
2
k
1k
1
1
sau : 38.3
1
2
1
2
1k
k
p
p
T
T
La determinarea lucrului mecanic şi variaţia energiei interne pentru un kgf
de gaz, conform primului principiu al termodinamicii avem:
112
Aluuq
şi pentru că în procesul adiabatic căldura exterioară nu ia parte,
0q
atunci:
0Aluu12
sau: 12
uuAl şi
39.32112
A
uu
A
uul
însă:
12v12
TTcuu şi: 21v21
TTcuu
iar:
21
v21v TTA
c
A
)TT(cl
Cunoscând că: 1k
ARc
v
atunci8, 1k
R
1kA
AR
A
cv
Deci: 40.31
21 TTk
Rl
67
Însă RT1 =p1v1 şi RT2=p2v2 şi atunci:
41.31
2211
k
vpvpl
Dacă din expresia (3.40) a lucrului mecanic scoatem pe T1 din paranteză,
vom avea:
1
21
T
T1
1k
RTl
şi în acelaşi fel:
21
2211
vp
vp1
1k
vpl ştiind însă că:
1k
2
1
1
2
v
v
T
T
ecuaţia:
2112
uuuuAl
se poate deduce că:
46.321 uuAl
Din expresia lucrului mecanic rezultă că energia internă în starea iniţială este
mai mare decât în starea finală (u1 > u2), adică în procesul adiabatic de destindere
energia internă s-a micşorat. Întotdeauna deci în procesul adiabatic lucrul mecanic
de destindere se va face pe socoteala energiei interne a gazului.
3.3.5 Transformarea politropă
Toate procesele sau transformările caracteristice studiate până în prezent şi
anume transformarea izocoră, izobară, izotermă şi adiabatică au specific faptul că
în cadrul fiecăruia se stabilea o limitare asupra unui parametru de bază p, v,
t şi q.
Fiecare transformare s-a putut exprima matematic printr-o ecuaţie
caracteristică:
transformarea izocoră……..v = ct
transformarea izobară……..p=ct
transformarea izotermă……T=pv=ct
transformarea adiabatică…pvk=ct
68
Fiecare din aceste procese poate fi reprezentat în diagrama pv fie printr-o linie
dreapta fie printr-o linie curbă. Reprezentând toate procesele într-o singură diagramă,
ele pot trece prin acelaşi punct comun A (fig.3.8).
Fig.3.8. Procesele termodinamice reprezentate în coordonate p-v, trecând printr-un
punct comun[8,27]
Între aceste curbe mai pot fi duse încă (un număr foarte mare), o infinitate de
curbe, dar care se vor supune unei ecuaţii comune de forma:
pvk=ct
Asemenea procese poartă numele de procese politrope, iar exponentul
politropic n poate primi orice valoare, ceea ce va determina caracterul procesului şi forma
cubei de reprezentare în diagrama pv.
Comparând ecuaţia politropei cu ecuaţiile celorlalte procese caracteristice
studiate mai înainte rezultă că acestea sunt nişte cazuri particulare ale procesului
politropic, în care exponentul n primeşte o anumita valoare.
Astfel când n = ecuaţia politropei devine v = ct, izocoră
n = 0 ecuaţia politropei devine p= ct (izobară)
n = l ecuaţia politropei devine pv = ct (izotermă)
n = l, 4 = k ecuaţia politropei devine pvk = ct (adiabatică).
Reiese deci că toate cele patru procese caracteristice studiate mai sus sunt
generalizate prin procesul politropic exprimat prin ecuaţia: pvk = ct
Înseamnă că orice proces care se supune acestei ecuaţii se va numi proces
politropic sau transformare politropă. La fel ca şi pentru procesul adiabatic şi în
procesul politropic este necesar să stabilim legătura între parametrii da bază luaţi doi
câte doi, adică p şi v; T şi v; T şi p. Procedeul va fi de asemenea acelaşi cu deosebire că în
locul exponentului adiabatei k trebuie să folosim exponentul politropei n. Ecuaţia
caracteristică a procesului ne arată legătura între presiune şi volum specific. pvn = ct
Legătura între T şi v, analog cu adiabata, va fi dată de relaţia:Tvn-1 = c t
iar legătura între T şi p, va fi exprimată prin relaţia:
ct
p
T
n
1n
69
Schimbul de căldură în procesul potitropic poate fi diferit şi depinde în
primul rând de valoarea exponentului politropic şi de variaţia volumului.
La o compresie politropică dacă n > k, are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar dacă n < k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0).
La o detentă politropică, dacă n< k. are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar
dacă n > k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0).
Generalizând această analiză privitor la procesul politropic şi cazurile
particulare sau transformările simple studiate anterior, rezultă că transformarea
adiabatică ce trece printr-o stare reprezentată în diagrama pv printr-un punct A
împarte întreg spaţiul în jurul punctului în două zone (fig.3.9).
Fig.3.9. Delimitarea sensului tuturor proceselor termice cu ajutorul adiabatei[8,27]
Tot ce este la dreapta şi mai sus de adiabată reprezintă procese care se
desfăşoară cu o comunicare de căldură (notat cu semnul +) iar tot ce este la stânga şi mai
jos de curba adiabatei, reprezintă procese care decurg cu îndepărtare de căldură (notat
cu seninul -).[1,8,27]
Plecând de la expresia primului principiu al termodinamicii şi cunoscând felul
în care se face schimbul de căldură cu exteriorul, putem afla cantitatea de căldură ce
intră în proces.
Dacă avem un proces politropic între două stări l si 2 care se supune ecuaţiei pvn
= ct, atunci:
Aluuq12
Pentru orice proces, variaţia energiei interne se calculează la fel şi anume:
12v12
TTcuu
iar lucrul mecanic pentru procesul politropic este:
21
TT1n
ARAl
70
deci:
52.31
2112 TTn
ARTTcq v
Dacă schimbăm semnul în termenul al doilea din partea dreaptă si apoi
împărţim întreaga expresie la variaţia de temperatură (T2-T1) vom obţine:
12
12
12
12v
12TT
TT
1n
AR
TT
TTc
TT
q
Cunoscând că
12TT
q
reprezintă tocmai căldura specifică c şi efectuând
simplificările posibile, obţinem:
1n
ARcc
v
Fiind vorba de un proces potitropic, înseamnă că în partea dreaptă avem
căldură specifică a politropei, deci putem preciza:
53.31
n
ARcc vpol
Admiţând ca cv, este const. înseamnă că într-un proces oarecare, pentru o anumită
valoare dată a exponentului n toată partea dreaptă a ecuaţiei va fi de asemenea o
constantă.
În baza acestora, tragem concluzia că atunci când vorbim de căldură specifică
a unui gaz, este necesar să precizăm şi transformarea pe care o suferă, adică să
precizăm condiţiile în care are loc schimbul de căldura.
3.4 Al doilea principiu al termodinamicii
Primul principiu al termodinamicii stabileşte echivalenţa energiei termice şi
mecanice, precizând raportul cantitativ dintre cele două forme de energie în cazul
transformărilor. Totuşi, primul principiu nu precizează dacă o transformare este
posibilă sau nu şi nu dă nici o indicaţie asupra sensului transformărilor din natură.
După cum s-a arătat, în natură, multe dintre fenomene sunt ireversibile şi cauza
ireversibilităţii o constituie condiţiile în care se produc, viteze finite, frecare etc.
Astfel, deşi în baza primului principiu un lucru mecanic de 427 kgfm este
echivalent cu l kcal, totuşi practic nu este posibil ca în aceeaşi măsură să transformăm
427 kgfm în 1 kcal şi invers, 1 kcal în 427 kgfm. De aceea, transformările se împart
în două categorii: pozitive şi negative. [1,8,27]
71
Transformări pozitive sunt acelea care decurg direct fără apariţia simultană a
altor procese. Ce exemple se pot da trecerea căldurii de la un cop mai cald la mul mai
rece, transformarea lucrului mecanic în căldură.
Transformări negative sunt acelea care pentru a fi realizate, necesită şi
efectuarea unor transformări pozitive de compensare. Aşa este cazul transformării
căldurii în lucrul mecanic.
Înseamnă că transformarea lucrului mecanic în căldură este admisă ca o
transformare totală, pe când transformarea căldurii în lucru mecanic este numai parţială o
parte din căldură fiind cedată mediului exterior.
În natură, deci, fenomenele nu se produc în orice sens şi în condiţii. Dacă o
transformare are loc de la A la B, atunci transformare inversă de la B la A nu mai poate
avea loc decât
în anumite condiţii.
Spre exemplu, dacă punem în contact două corpuri cu temperaturi diferite, o
cantitate de căldură va trece de la corpul mai cald la corpul mai rece.
Conform primului principiu al termodinamicii, cantitatea de căldură pierdută de
corpul cald este egală cu cea câştigată de corpul rece. Dar, acelaşi principiu nu se
opune ca o cantitate oarecare de căldura să treacă de la corpul mai rece către corpul
mai cald, ceea ce în natură nu s-a observat niciodată.
Deasemenea, este cunoscut faptul ci prin frecare se produce căldura. Doua
bucăţi de lemn care sunt mişcate unul asupra celuilalt cu o fiecare oarecare produc
căldură. Nu s-a observat niciodată însă ca două bucăţi de lemn aflate în contact şi
încălzite să înceapă să se mişte, cu toate că primul principiu al termodinamicii nu se
opune acestui fapt.
Din aceste exemple se poate trage concluzia că:
„În natură se petrec numai fenomene ireversibile iar fenomenele reversibile sunt
cazuri limita de care fenomenele naturale se apropie mai mult sau mai puţin”.
Această concluzie constituie cel de al doilea principiu al termodinamicii.
Conform primului principiu al termodinamicii nu este posibil să se construiască
o maşină care să producă energie din nimic, adică o maşină care sa producă o energie
oarecare, să zicem mecanică (motor), sau electrică (generator electric), fără a consuma
o altă energie. O asemenea maşină a primit denumirea de motor veşnic sau perpetuu
mobile de ordinul întâi.
Conform principiului al doilea al termodinamicii, pentru a putea produce lucru
mecanic din căldura este nevoie ca o parte din căldura luată de la izvorul sau sursa
superioară de căldură să fie cedată mediului exterior, adică izvorul rece sau sursei
inferioare.
În acest fel, principiu al doilea confirmă că nu este posibil să se construiască
o maşină care să funcţioneze numai cu un singur izvor de căldură. O asemenea
maşină care ar putea funcţiona cu o singură sursă de căldură a primit denumirea de
perpetuu mobile de ordinul al doilea.
Din exemplele de mai sus, al doilea principiu al termodinamicii poate fi
exprimat în mai multe feluri şi anume:
72
- căldura nu poate sa treacă de la sine, de la un corp mai rece la unul mai cald.
- O transformare în care se produce şi căldură prin frecare nu poate fi făcută
reversibilă în nici un fel.
- Este imposibil să se realizeze o maşină care să producă lucru mecanic
absorbind căldură de la un singur izvor de căldură şi fără ca sistemul să fie supus şi
la alte transformări.
3.5 Randamentul termic al ciclurilor
În procesele ciclice, agentul motor suferă o serie de transformări succesive
până când se întoarce la starea iniţială. În acest timp variază parametrii de bază
p, v, T şi ceilalţi parametrii ca energia internă, entalpia etc. În timpul procesului
de dilatare, agentului motor i se comunică o cantitate de căldură q1, iar în timpul
comprimării, i se îndepărtează o cantitate de căldură q2. În procesul ciclic reversibil
o parte din căldura primita de agentul motor se transformă în lucru mecanic. În
aceasta situaţie, conform primului principiu al termodinamicii putem scrie:
1121
Aluuq
şi:
2122
Aluuq
Scăzând a doua expresie din prima, obţinem cantitatea de căldură q transformată
în lucru mecanic în decursul ciclului pentru l kgf de agent motor.
AlllAAlAlqqq212121
deci:
Alqq21 (3.54)
Cu cât cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic este mai mare, cu
atât ciclul va fi mai bun în privinţa folosirii căldurii.
Eficienţa folosirii căldurii în procesul transformării ei în lucru mecanic se
apreciază prin raportul dintre cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic şi
cantitatea totală de căldură comunicată agentului motor. [1,8,21,27,36]
Acest raport se numeşte randament termic. El se notează cu litera grecească
(eta) căreia i se adaugă indicativul t, adică t.
Deci, pentru l kgf de agent motor, căruia i s-a comunicat q1 kcal şi de la care
s-a îndepărtat q2 kcal, iar în procesul ciclului s-au transformat în lucru mecanic q1-
q2 kcal, randamentul termic va fi:
1
2
1
2
1
1
1
21
tq
q1
q
q
q
q
q
73
deci:
55.311
2
q
qt
Dacă ciclul este realizat de G kgf agent motor, atunci randamentul termic va
fi:
1
2
tQ
Q1
Din relaţia (3.55) se vede că randamentul termic va fi, cu atât mai mare cu cat
raportul
1
2
q
q va fi mai mic, adică cu cât va fi mai mică cantitatea de căldură cedată
izvorului rece sau inferior. Valoarea maximă a randamentului termic ar fi
egală cu 1, ceea ce s-ar obţine când q2=0.
Conform principiului al doilea al termodinamicii acest lucru însă nu este
posibil, cedarea unei părţi de căldură către sursa inferioară fiind o condiţie
obligatorie.
3.6 Ciclul Carnot şi randamentul său termic
Studiile teoretice cu privire la transformarea căldurii în lucru mecanic, în
procese ciclice, au fost începute de inginerul Sadi Carnot, în sec. XIX. [1,8,21,27,36]
El a plecat de la următoarele trei premise, care au fost confirmate ulterior şi anume:
- pentru a obţine lucrul mecanic din căldură trebuie să folosim un ciclu, adică
întregul sistem trebuie să revină la starea iniţială (atât agentul motor cât şi organele
maşinii).
- pentru a obţine lucrul mecanic numai din căldura, este necesar să existe două
izvoare de căldură la temperaturi diferite.
- pentru a obţine efectul cel mai mare sau randamentul maxim în procesul
transformării, este necesar ca ciclul să fie reversibil, adică în orice moment
temperatura sistemului să fie în echilibru cu a mediului exterior spre a evita
pierderile de căldură directe, care micşorează randamentul.
În baza acestor premise, S. Carnot a imaginat un ciclu ideal care să poată fi
realizat de o maşină ideală.
Ciclul ideal propus de Carnot se compune din două izoterme şi două adiabate,
iar maşina ideală astfel construită încât să nu aibă frecări în organe, şocuri în timpul
funcţionării, radiaţie şi conductibilitate termică; adică să nu aibă nici o caracteristică ce
ar putea conduce la ireversibilitatea ciclului.
Maşina ideală a lui S. Carnot (fig.3.12) se compune dintr-un cilindru c din
material perfect izolant din punct de vedere termic şi un piston, mobil P, de asemenea
dintr-un material perfect izolant, care prin intermediul unui mecanism bielă-manivelă
pune în mişcare un arbore cotit cu volantă.
74
Fundul cilindrului este închis cu un perete subţire dintr-un material perfect
conducător de căldură, prin care cilindrul poate fi pus în legătură fie ca izvorul cald
T1, fie cu izvorul rece T2 sau poate fi izolat termic de mediul exterior cu ajutorul unui
izolator I.
Fig.3.12. Schema realizării Ciclului Carnot şi reprezentarea lui în coordonate
p-v
În diagrama pv, ciclul ideal începe din punctul 1 când cilindrul este în
legătură cu izvorul cald T1, se face o comunicare de căldurii q1 şi are loc o destindere
izotermică la temperatura T1, destindere care durează până la starea corespunzătoare
punctului 2.
Când pistonul a ajuns fa poziţia corespunzătoare volumului din starea 2, se
întrerupe legătura cu izvorul cald T1 iar cilindrul se izolează cu ajutorul izolatorului I.
Acum în cilindrul complet izolat începe destinderea adiabatică, care durează pană ce
pistonul ajunge în poziţia extremă corespunzătoare punctului 3, iar temperatura
agentului motor scade până la valoarea temperaturii izvorului rece T2.
In acest moment, îndepărtând izolatorul I cilindrul se pune în legătură cu
izvorul rece T2 are loc o comprimare izotermică şi pistonul porneşte în cursa de
întoarcere. Comprimarea izotermică durează până când agentul motor a cedat izvorului
rece cantitatea de căldură q2 şi pistonul a ajuns în punctul 4. În situaţia corespunzătoare
punctului 4 din diagramă se întrerupe legătura cilindrului cu izvorul rece şi se izolează
cu izolatorul I.
Din acest moment compresia continuă adiabatic până în punctul 1, iar
temperatura agentului motor se ridică până la T1 corespunzătoare stării iniţiale.
Pentru realizarea condiţiilor de reversibilitate, este necesar ca ciclul să se
desfăşoare foarte încet, iar forţele exterioare ce acţionează asupra pistonului să varieze
permanent ca mărime, corespunzător schimbării presiunii agentului motor din
interiorul cilindrului.
În acest ciclu, sistemul a absorbit de la izvorul cald o cantitate de căldură q1, în
timpul detentei izotermice 1-2 şi a cedat o altă cantitate do căldură q2 către izvorul
75
rece în timpul compresiei izotermice 3-4, deci schimbul total de căldură în decursul
ciclului a fost:
Alqqq21 (3.56)
iar randamentul termic al ciclului Carnot va fi:
1
2
1
21
1
tq
q1
q
q
Al
(3.57)
Deoarece în acest ciclu comunicarea şi îndepărtarea căldură au fost făcute
dopă izoterme, putem scrie:
4
3
22
1
2
11v
vlogART3,2qşi
v
vlogART3,2q (3.58)
de unde:
1
2
1
4
3
2
t
v
vlogART3,2
v
vlogART3,2
1 (3.59)
făcând simplificările obţinem:
1
2
1
4
3
2
t
v
vlogT
v
vlogT
(3.60)
Dar pentru procesele adiabatice 2-3 şi 4-1 putem scrie:
1k
1
1
2
4
1
1k
1
1
2
3
2
T
T
v
vşi
T
T
v
v
(3.61)
Deoarece părţile din dreapta sunt aceleaşi rezultă că şi părţile din stânga sunt
egale, deci:
4
1
3
2
v
v
v
v sau schimbând locul mezilor în proporţie obţinem:
4
3
1
2
v
v
v
v
76
Rezultă că:
1
v
vlog
v
vlog
1
2
4
3
randamentul termic al ciclului Carnot :
Rezultă că randamentul termic al ciclului Carnot depinde numai de diferenţa
temperaturilor izvoarelor de căldură şi este cu atât mai mare cu cât temperatura
izvorului rece T2 este mai mică şi temperatura izvorului cald T1, este mai mare.
Randamentul ciclului Carnot ar putea fi egal cu unitatea dacă temperatura izvorului cald
ar fi T1 = iar a celui rece T2 = 0; adică t2 = -273C ceea ce practic nu este posibil
de realizat. [1,8,21,27,36]
Ciclul Carnot fiind reversibil, poate fi parcurs şi în sens invers, în acest caz
sistemul va absorbi o cantitate de căldura q2 de la izvorul rece T2 în decursul detentei
izotermice 4-3 şi va ceda o cantitate de căldură q1 izvorului cald T1, de-a lungul
compresiei izotermice 2-1, consumând lucrul mecanic l = q1 - q2. O maşină care ar
funcţiona după ciclul Carnot inversat poate fi folosită ca instalaţie de răcire
(frigorifică), deci ciclul Carnot inversat apare ca ciclu ideal pentru maşini frigorifice.
3.6 Ciclurile motoarelor termice cu ardere internă
Un motor termic perfect ar trebui să funcţioneze după ciclul Carnot. Un
asemenea motor ar avea randamentul termic cel mai mare, indiferent dacă luăm ca agent
motor un gaz sau vapori de apă (aburi), la aceleaşi temperaturi iniţiale T1, şi finală T2.
Randamentul termic va trebui să fie acelaşi, deoarece el nu depinde de natura
agentului motor ci numai de diferenţa temperaturilor.
În realitate, datorită greutăţilor mari care se ivesc la comunicare şi îndepărtarea
de căldură după izoterme, un asemenea ciclu poate fi realizat parţial la maşinile cu
aburi şi nu e deloc posibil de realizat la motoarele trainice cu ardere internă la care
drept agenţi motori sunt utilizate gaze arse.
De asemenea, în motoarele reale au loc o scrie de fenomene ca frecarea în
organe, schimbul de căldură prin contact şi prin radiere, comunicarea şi
îndepărtarea căldurii pe cale ireversibilă, fenomene care fac ireversibil procesul
transformării căldurii în lucru mecanic. [1,8,21,27,36]
Din aceste motive ciclul Carnot rămâne ca un ciclu ideal, teoretic. Studiul tui
ne dă posibilitatea să vedem către ce limită putem tinde cu valoarea randamentului
termic în procesul transformării căldurii în lucru mecanic. Procesul de lucru sau ciclu
de funcţionare al unui motor termic cu ardere internă constituie o succesiune de
procese fizice şi chimice pe care le putem rezuma astfel:
- introducerea în interiorul cilindrului şi umplerea acestuia cu aer
curat sau amestec carburant;
77
- comprimarea aerului sau amestecului prin deplasarea pistonului în
interiorul cilindrului de la PMI la PME;
- introducerea combustibilului în cilindru şi amestecarea lui cu aerul,
în cazul când iniţial a fost introdus şi comprimat numai aerul carat;
- aprinderea şi arderea amestecului carburant;
- detenta gazelor arse care produc deplasarea pistonului în
sensul invers deplasării la comprimare;
- evacuarea produselor de ardere din cilindru.
Faţă de ciclul teoretic, procesul de lucru real prezintă două
particularităţi principale:
a) în timpul arderii amestecului carburant are loc o transformare
chimica, agentul motor se schimbă şi ciclul continuă cu un alt agent motor,
şi
b) la sfârşitul detentei, gazele arse sunt eliminate în exterior şi
cilindrul se umple cu o încărcătură proaspătă.
Aceste două particularităţi fac ca ciclul real de funcţionare să fie deschis.
Făcând abstracţie de cele două particularităţi arătate mai sus, dar ţinând cont de
procesele termice şi mecanice cele mai importante, teoretic se studiază ciclurile
termodinamice închise. Ciclurile reale se compară sub aspectul perfecţiunii lor cu
ciclurile teoretice închise.
Ciclul teoretic al unui motor termic cu ardere internă se analizează având la bază
următoarele admisiuni:
- în interiorul cilindrului se găseşte un kgf agent motor, care pe
parcursul ciclului se află în schimb reciproc cu mediul exterior numai sub
aspect termic (primire sau cedare de căldură) şi mecanic (consum de lucru
mecanic la compresie şi producere de lucru mecanic la detentă);
- procesele care compun ciclul se consideră total reversibile;
- agentul motor este un gaz perfect şi se supune legilor gazelor perfecte;
- în desfăşurarea ciclului procesele decurg foarte încet şi frecarea lipseşte.
Motoarele termice cu ardere internă funcţionează după cicluri care se deosebesc
între ele prin felul cum se face comunicarea de căldură.
Teoretic deosebim trei feluri de cicluri si anume:
- ciclul cu ardere la volum constant;
- ciclul cu ardere ta presiune constantă;
- ciclul mixt sau cu ardere la volum şi presiune constantă.
Fiecare din aceste cicluri are caracteristicile lui proprii şi de aceea ele se
studiază separat.
3.6.1 Ciclul cu ardere la volum constant
După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin scânteie, cu
carburator şi motoarele cu catalizator de joasă compresie. La motoarele cu aprindere prin
78
scânteie aerul şi combustibilul sunt pregătite sub formă de amestec în afara
cilindrului şi amâne m carburator, în cilindru x introduce şi aperi se comprimă
amestecul carburant. La sfârşitul compresiei amestecul carburant se aprinde cu
ajutorul unei scântei electrice. [1,8,21,27,36]
La motoarele cu catalizator, se introduce iniţial în cilindru şi apoi se comprimă
aerul curat. Spre sfârşitul compresiei se pulverizează combustibil care se amestecă cu
aerul. Pentru aprindere serveşte capul incadescent sau catalizatorul.
În acest ciclu (fig.3.14) starea iniţială a gazului se consideră în punctul a
corespunzător PMI la sfârşitul aspiraţiei.
Fig.3.14. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate p-v
Fig.3.15. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate t-s
La deplasarea pistonului spre stânga, va avea loc o compresie a gazului
după adiabata ac. În punctul c, când pistonul se afla la PME începe comunicarea
de căldură q1, care se desfăşoară după izochora cz. În punctul z se termină
comunicarea de căldură şi începe procesul detentei, ce decurge după adiabata zb.
Când detenta se termina, pistonul ajunge la punctul extrem din dreapta PMI. Din
punctul b până în a, după o izochoră, se face o cedare de căldură către sursa inferioară.
În acest ciclu deci compresia şi detenta se fac după adiabate iar aportul şi cedarea de
căldură după izochore.
Din reprezentarea acestui ciclu în diagrama Ts (fig.3.15) se poate vedea că
suprafaţa aczba reprezintă cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic.
79
Ca mărimi caracteristice în ciclu avem: gradul de compresie , reprezintă
raportul dintre volumul total al cilindrului Va şi volumul camerei
de compresie Vc deci:
64.3e
sc
c
a
V
VV
V
V
Gradul de compresie are influenţă asupra valorii randamentului termic al
ciclului t. Gradul de ridicare a presiunii sau raportul de creştere a presiunii ,
reprezintă raportul dintre presiunea gazului la sfârşitul comunicării de căldură pz
şi presiunea gazului la sfârşitul compresiei pc.
=
c
z
p
p (3.65)
Asupra randamentului termic al acestui ciclu, gradul de ridicare al presiunii nu
are influenţă. Să vedem care este valoarea randamentului termic în acest ciclu pentru
1 kgf gaz. După cum ne este cunoscut pentru orice fel de ciclu putem scrie:
1
2
tq
q1
în care: q2 este căldura cedată sursei inferioare,
q1 este căldura comunicată gazului de la sursa superioară.
În cazul ciclului dat, căldura q1 este comunicată după izochora cz, iar căldura
q2 este cedată după izochora ba, deci:
q1=cv(Tz-Tc)
q2=cv(Tb-Ta)
Înlocuind aceste valori în expresia randamentului termic, avem:
cz
ab
czv
abv
tTT
TT1
)T-(Tc
)T-(Tc1
Să exprimăm toate temperaturile care intră în formulă prin temperatura Tz.
a) pentru adiabata ac avem:
80
1k
c
a
a
c
V
V
T
T
însă
c
a
V
V
şi atunci:
66.311 k
ac
k
a
c TTsauT
T
b) pentru izochora cz avem:
cz
e
z
c
z TTundedep
p
T
T
dacă înlocuim şi valoarea lui Tc atunci:
67.31 k
az TT
c) pentru adiabata zb:
1k
b
z
z
b
V
V
T
T
însă Vz=Vc iar Vb=Vz
şi atunci:
1k
1k1k
a
c
z
b11
V
V
T
T
de aici deducem că:
1kzb
1TT
însă Tz=Ta k-1 deci:
a1k
1k
abT
1TT
Înlocuind valorile temperaturilor Tc, Tz şi Tb în expresia randamentului
termic avem:
68.31
11
111
1111
kk
a
a
k
a
k
a
aat
T
T
TT
TT
81
Din expresia randamentului termic pentru ciclu cu ardere la volum constant
se vede că el depinde de doi factori şi anume: de gradul de compresie şi exponentul
adiabatic k. Cu cât aceşti doi factori au valori mai mari, randamentul termic creşte
(fig.3.16). Practic însă, valoarea randamentului termic va creşte cu foarte puţin la
creşterea lui peste o anumită valoare, care de obicei nu este mai mare de 9…10.
Fig.3.16. Curba valorilor randamentului termic în funcţie de gradul de
comprimare şi de exponetul adiabatic[21,27]
Aceasta se explică prin aceea că la motoarele cu aprindere prin scânteie care
funcţionează după acest ciclu, în cilindru se comprimă un amestec combustibil-aer.
Dacă s-ar urca valoarea gradului de compresie şi amestecul s-ar comprima mai
puternic, temperatura la sfârşitul compresiei poate să fie atât de mare încât să
provoace auto-prinderea prematură care poate provoca avaria motorului.
Ciclul cu ardere la presiune constantă
După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie, cu
pulverizate pneumatică a combustibilului, denumite motoare Diesel cu compresor. În
interiorul cilindrului acestor motoare se introduce şi apoi se comprimă puternic aerul
curat. La sfârşitul compresiei temperatura aerului este foarte ridicată. În acest
moment în interiorul cilindrului se injectează combustibil la presiune ridicată şi fin
pulverizat.
Pulverizarea combustibilului se asigură datorită presiunii aerului comprimat
trimis la injector da la o instalaţie cu compresor de aer. În interiorul cilindrului,
combustibilul fin pulverizat se amestecă cu aerul comprimat şi încălzit se aprinde şi
continuă să scadă pe măsura injectării lui.
În acest ciclu (fig.3.17) starea iniţială a gazului este determinată de punctul a în
care pistonul se găseşte la PMI. De la punctul a începe compresia care se desfăşoară după
o adiabată ac şi durează pe toată lungimea cursei pistonului până ce acesta ajunge la
82
punctul extrem din stânga (PME). În punctul c se termină compresia şi începe mişcarea
pistonului spre dreapta. În acelaşi timp începe şi comunicarea progresivă a căldurii qt
după o izobară cz.
Fig.3.17. Ciclul teoretic cu ardere la presiune constantă în coordonate p-v[21,27]
În punctul z se termină comunicarea de căldură, pistonul continuă să se mişte
spre dreapta şi gazul începe să se destindă după adiabata zb. [1,8,21,27,36]
Din punctul b, după o izochoră, are loc cedarea căldurii q2. Deci în acest ciclu
aportul de căldură se face după o izobară, cedarea de căldură după izochoră iar
compresia şi detenta după adiabate. Diagrama Ts a acestui ciclu (fig.3.18) arată că
suprafaţa aczb reprezintă la o anumită scară, cantitatea de căldură transformată în
lucru mecanic.
Fig.3.18. Ciclu teoretic cu ardere constantă în coordonate T-s[21,27]
Mărimile caracteristice pentru acest ciclu sunt:
gradul de compresie
c
a
v
v raportul de injecţie sau gradul detentei prealabile
c
z
v
v
care reprezintă raportul dintre volumul la sfârşitul arderii şi volumul la sfârşitul
compresiei.
Valoarea randamentului termic se determină în felul următor:
83
1
2
tq
q1
Arderea fiind la presiune constată, iar îndepărtarea căldurii la volum constant
vom avea: q1 = cp(Tz - Tc)
q2 = cv(Tb – Ta)
atunci:
cz
ab
cz
p
p
ab
czp
abv
tTTk
TT1
TTc
c
TT1
TTc
TTc1
Să exprimăm temperaturile Tc, Tz şi Tb în funcţie de temperatura Ta.
Pentru adiabata ac
1k
1k
c
a
a
c
v
v
T
T
deci Tc=Tak-1
Pentru izobara cz
1k
acz
c
z
c
z TTTdeciv
v
T
T
Pentru adiabata zb
1k
c
z
z
b
v
v
T
T
În acest caz dacă împărţim numărătorul şi numitorul părţii din dreapta CL
vck-1 obţinem:
1k
c
b
c
z
z
b
v
v
v
v
T
T
însă c
z
v
v iar vb=va deci
c
a
c
b
v
v
v
v
atunci
1k
z
b
T
T
de unde rezultă că k
a1k
1k
1k
a
1k
zbTTTT
Înlocuind valorile obţinute în expresia randamentului obţinem:
84
1k
11kT
1T1
TTk
TT1
1k
k
1k
a
k
a
1k
a
1k
a
a
k
a
t
sau:
69.3
1
111
1
k
k
kt
Din expresia randamentului termic se vede că el depinde de , k si .
Structura formulei arată că în măsura în care fracţia din dreapta se va micşora,
valoarea randamentului termic va creşte.
Micşorarea fracţiei se va obţine atunci când valoarea lui va creşte.
Factorul:
1k
1k
va fi întotdeauna supraunitar şi va creşte odată cu creşterea valorii lui ,
deci va micşora randamentul termic.
Să comparam în diagrama Ts ciclu cu ardere la volum constant şi cu ciclu cu
ardere la presiune constantă (fîg.3.19) luând pentru amândouă ciclurile aceleaşi
presiuni maxime, adică admiţând condiţia că piesele ambelor motoare suportă
aceleaşi solicitări mecanice şi termice, deşi rapoartele de compresie sunt diferite.
Fig.3.19. Reprezentarea comparativă a ciclurilor cu ardere la volum constant şi la
presiune constantă, în coordonate T-s
Suprapunând diagramele astfel ca punctul iniţial a să fie comun ambelor cicluri
apare evident că pentru ciclul ca ardere la volum constant randamentul termic va fi:
zedc
abed1
q
q1
1
2
tv
iar pentru ciclu cu ardere la presiune constantă:
85
czed
abed1
q
q1
1
2
tp
Deoarece suprafaţa czed este mai mare decât c’zed rezultă că pt
>vt
3.6.2 Ciclul cu ardere mixtă
După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie,
Diesel fără compresor. La aceste motoare în interiorul cilindrului se introduce aer
curat care apoi se comprimă puternic.
Datorită compresiei mari, temperatura aerului creşte mult. La sfârşitul
compresiei, cu ajutorul unei pompe de injecţie şi unui injector, în interiorul
cilindrului se introduce combustibilul, la presiune înaltă şi fin pulverizat.
Combustibilul injectat se amesteca cu aerul comprimat şi încălzit, se
aprinde şi arde în mod progresiv, pe măsura injectării lui în cilindru. Comunicarea
de căldura se face parţial la volum constant şi parţial la presiune constantă, aşa cum
este arătat în diagrama pv (fig.3.20) şi diagrama (fig.3.21).
Fig.3.20. Ciclul teoretic cu ardere mixtă în coordonate p-v
Mărimile care caracterizează acest ciclu sunt:
gradul de compresie
c
a
v
v
raportul de ridicarea presiunii
c
z
p
p
raportul de injecţie sau detentă prealabilă
86
c
z
v
v
Valoarea randamentului termic al ciclului mixt se determină după formula
generală
1
2
tq
q1
Dar în ciclul mixt aportul de căldură se descompune în două părţi:
111
qqq
în care: q1’ este căldura comunicată la volum constant –izochoră cz’
q1’’ este căldura comunicată la presiune constantă, izobară z' z
După felul cum sunt făcute comunicările de căldură vom avea:
zzp1
czv1
TTcq
TTcq
iar căldura cedată din exterior
abv2
TTcq
Înlocuind valorile căldurilor în expresia randamentului termic obţinem:
zzpczv
abv
tTTcTTc
TTc1
Din această expresie se vede că randamentul termic al ciclului mixt depinde de
, k, şi . Odată cu creşterea raportului de compresie e randamentul termic creşte.
Ceilalţi factori k, şi au asupra ciclului mixt aceeaşi influenţă ca şi în ciclurile
studiate anterior.
3.7 Principiile funcţionării motorului cu ardere internă şi noţiunile de bază
La baza funcţionării motorului cu ardere internă este proprietatea tuturor
gazelor de a se dilata atunci când sunt încălzite, în cazul când gazul încălzit se află
într-un spaţiu închis, atunci cu cât încălzirea lui va fi mai puternică, cu atât presiunea
gazului va fi mai mare.
Cunoaştem din termodinamică că în cazul când comprimăm un gaz cheltuim
pentru acesta o cantitate oarecare de lucru mecanic şi apoi lăsăm gazul să se
destindă, atunci el teoretic, va produce aceeaşi cantitate de lucru mecanic câtă a fost
cheltuită pentru comprimarea lui.[1,2,20,27,31]
87
Practic, în această situaţie nu vom obţine niciodată aceeaşi cantitate de lucru
mecanic, din contră o parte din lucru, se pierde datorită frecărilor.
Încălzind gazul cu ajutorul unui izvor de căldură oarecare (o lampă,
un cap incadescent, etc.) atunci presiunea lui va creşte mai mult crescând o dată cu
aceasta şi tendinţa gazului de a se dilata.
Gazul încălzit va apăsa cu putere pe toate direcţiile şi dacă lăsăm pistonul
liber, acesta va fi împins cu putere, iar gazul se va destinde.
În acest caz, la mişcarea pistonului de sus în jos, gazul va produce un lucru
mecanic mai mare decât cel cheltuit la comprimarea lui.
Acest fapt este folosit la principiul funcţionării motoarelor cu ardere internă.
Ridicarea temperaturii gazului în interiorul cilindrului are loc prin arderea unui
combustibil lichid sau gazos (spirt, benzină, motorina, gaz din lemn, gaz metan)
care se introduc în interiorul cilindrului fie sub formă de amestec, fie că acolo se
amestecă cu aerul.
Rezultă că un motor cu ardere internă pentru a putea funcţiona, trebuie să
îndeplinească următoarele procese:
- Să introducă în interiorul cilindrului aer şi combustibil fie sub
formă de amestec pregătit în afară, fie că acest amestec se formează în
interior.
-Aerul sau amestecul din aer şi combustibil trebuie să fie
comprimat.
- În urma comprimării, amestecul carburant trebuie să fie aprins şi să
ardă.
- Gazele arse trebuie lăsate să se destindă, în vederea obţinerii
lucrului mecanic.
- Să elimine afară gazele arse dilatate, pregătind cilindru pentru a
primi o nouă încărcătură de combustibil şi aer.
Introducerea aerului şi combustibilului în interiorul cilindrului se face printr-
un orificiu numit, orificiu de admisie, iar evacuarea gazelor arse este făcută prin
orificiu de evacuare (fig.3.23). Orificiul de admisie este acoperit cu o supapă de
admisie 4 iar cel de evacuare cu o supapă de evacuare 5.
Fiecare orificiu este deschis pe rând, la un moment dat strict determinat, în
corelaţie strânsă cu anumite poziţii ale pistonului 3 în interiorul cilindrului. Pistonul
se deplasează în interiorul cilindrului de jos în sus şi de sus în jos între anumite
limite.
Poziţia cea mai îndepărtată a pistonului în cilindru faţă de axa arborelui
cotit se numeşte punct mort exterior, notat pe scurt PME, iar poziţia cea mai apropiată
de axa arborelui cotit, punct mort inferior notat PMI. Deplasarea pistonului de la un
punct mort până la altul, se numeşte cursa pistonului şi se notează cu S. Unei curse
a pistonului îi corespunde o jumătate de rotaţie a arborelui cotit, adică l80°, deci
lungimea cursei pistonului S, este egală cu de două ori lungimea manivelei.
88
Fig.3.23. Organele şi elementele de bază ale motorului cu ardere internă
Alezaj se numeşte diametrul interior al cilindrului, în care se mişcă pistonul d.
Volumul de lucru. Alezajul cilindrului şi cursa pistonului determină volumul de lucru
a motorului care se notează cu Vs.
Valorile lor se aleg în funcţie de puterea motorului pe care dorim s-o obţinem şi
de regimul de funcţionare (turaţia) pe care-1 va avea motorul. [1,2,18,20,21,27,31]
Volumul Vs rezultat prin deplasarea pistonului pe lungimea cursei S se
numeşte “cilindree”. Dacă un motor are mai mulţi cilindri, atunci cilindreea
motorului va fi dată de suma volumelor de lucru ale cilindrilor motorului. Cilindreea
se exprimă în cm3, fiind denumită şi capacitatea cilindrică.
Volumul camerei de compresie Vc este volumul din interiorul cilindrului
cuprins între capul cilindrului (chiulasă) şi piston când acesta se află în PME.
89
Volumul total de admisie Va este volumul cilindrului cuprins între capul
cilindrului şi piston când acesta se află PMI.
Rezultă că volumul total de admisie este suma volumului de lucru Vs şi
volumului camerei de compresie Vc:
Va = Vs+Vc
Gradul de compresie sau raportul de compresie, notat cu litera grecească
Epsilon (), arată de câte ori se reduce volumul în interiorul cilindrului, în timpul
operaţiei de comprimare a aerului sau amestecului.
c
a
V
V
Pistonul este articulat de biela 6 iar aceasta, la rândul ei, în partea inferioară
articulează cu arborelui cotit (sau arborele motor), 7.
Prin arderea amestecului carburant în interiorul cilindrului, se obţine o
cantitate oarecare de căldură. Datorită căldurii produse prin ardere, gazele rezultate în
urma arderii atingând temperatura de 1800-2000°C tind să se dilate.
3.8 Mecanismul bielă-manivelă
Mecanismul bielă-manivelă, la motoare termice cu ardere internă, serveşte
pentru preluarea presiunii gazelor şi transformarea mişcării rectilinii alternative a
pistonului în mişcarea de rotaţie a arborelui cotit.
Necesitatea transformării mişcării rectilinii alternative în mişcarea de rotaţie
se explică prin aceea că aceasta din urmă este mai uşor şi mai simplu de transmis
către maşinile lucrătoare.
În legătură cu întreg complexul de fenomene termodinamice care se produc
în scopul de a obţine mişcarea, la motoarele termice cu ardere internă mecanismul
bielă-manivelă se compune din următoarele părţi: carterul, cilindrul (blocul
cilindrilor), capul cilindrului, sau chiulasa, pistonul, segmenţii, bolţul (axul
pistonului), biela, arborele cotit şi volanta.
Mecanismul bielă-manivelă la motoarele de tractor şi automobil, se
construieşte în trei feluri: în primul fel, arborele cotit este aşezat central sau axial,
linia arborelui fiind perpendiculară faţă de axa cilindrului (fig.3.24.a)
Aceste mecanisme bielă-manivelă se numesc simple sau normale. Al doilea
mod, este aşezarea arborelui dezaxial, deplasat faţă de axa cilindrului cu o
mărime oarecare e numită dezaxaj (fîg.3.24.b).
90
Fig.3.24. Variantele construcţiei mecanismului bielă manivelă
a- axial; b- dezaxial;[27]
Dezaxajul se face în scopul îndepărtării bielei de arborele cu came, ca să nu
se atingă în timpul funcţionării, iar dezaxajul în piston, în scopul micşorării
presiunilor laterale pe cilindri.
La aceste motoare, la rotirea arborelui cotit cu un unghi , unghiul făcut de
bielă cu axa, va fi mai mic decât unghiul la motoarele axiale.
Dezaxajul fiind relativ mic, maximum 10% din cursă, sau practic 3+8 mm la
arbore şi 2+6 mm la piston, în calcule putem neglija aceasta fără a face greşeli mari,
însă practic la montare trebuie să fim atenţi şi mai ales la motoarele cu dezaxare în
piston, spre a nu le monta la întâmplare, deoarece putem provoca dezechilibrare şi
uzură prematură.
Al treilea mod de construcţie a mecanismului bielă-manivelă este acela cu
articulaţie excentrică. Această variantă se întâlneşte la motoarele cu mai multe linii,
la care în acelaşi plan se găsesc mai mulţi cilindri, cum sunt motoarele în V. La acestea,
de regulă, de bielă se articulează o bieletă, sau se montează două biele pe acelaşi
maneton.
3.8.1 Cinematica mecanismului bielă-manivelă
În timpul funcţionării motorului unele organe ale mecanismului bielă-
manivelă se află în mişcare de rotaţie, aşa cum este arborele cotit şi volanta. Această
mişcare se produce mai mult sau mai puţin uniform.
Alte organe ale mecanismului bielă-manivelă, ca pistonul împreună cu
segmenţii şi bolţul, au mişcare rectilinie alternativă, care nu se face uniform.
În punctele moarte viteza acestor piese este egală cu zero, după care începe
să crească obţinând valori maxime aproximativ la o poziţie mijlocie din cursă, pentru
91
ca apoi iarăşi să scadă ajungând din nou la zero, după care fenomenul să se producă
invers şi iarăşi să se repete în totalitatea lui. Rezultă că mişcarea grupului piston se face
cu acceleraţie.
Biela are o mişcare complexă, capul mic al ei având aceeaşi mişcare rectilinie
alternativă cu a grupului piston, iar capul mare al ei, are o mişcare de rotaţie împreună
cu arborele cotit al motorului. Din mecanică se cunoaşte că forţa este direct
proporţională cu masa şi acceleraţia imprimată ei.
F=m•a (3.71)
în care: F este forţa în N
m - masa, în kg
a - acceleraţia, în m/s2
Organele mecanismului bielă-manivelă ale unui motor care se găsesc în mişcare
de rotaţie şi mişcare rectilinie, alternativă, au mase determinate şi în timpul mişcărilor
iau naştere forţe de inerţie, care depind de relaţiile dintre dimensiunile ce
caracterizează mecanismul bielă-manivelă, mai ales între raza manivelei r şi lungimea
bielei l.
3.8.1 Mişcarea pistonului
Considerând mecanismul bielă-manivelă al unui motor termic cu ardere internă
în situaţia când pistonul se găseşte la punctul mort superior, atunci biela şi cu manivela
se află una în prelungirea celeilalte, iar distanţa OA’, dintre axa bolţului şi axa
arborelui cotit este egală cu suma r +1.
Fig.3.25. Schema mecanismului bielă-manivelă pentru calculul deplasării
pistonului
3.8.2 Acceleraţia pistonului
Acceleraţia pistonului se determină după formula:
a =r2(cos + cos2) , m/s2 (3.74)
Cum se vede din expresie şi acceleraţia poate fi prezentată sub forma:
a=a’+a’’în care: a’=r2cos iar a’’=r2 cos 2
92
În figura 3.28 curba acceleraţiei de ordinul I reprezintă o cosinusoidă cu
perioada 360°, curba acceleraţiei de ordinul al II-lea reprezintă o cosinusoidă cu
perioada 180°, iar acceleraţia este reprezentată prin curba rezultată din însumarea celor
două. După cum se vede, acceleraţia maximă este la 0° si la 360°, adică la punctul
mort superior. [1,2,18,20,21,27,31]
Fig.3.28. Graficul acceleraţiei pistonului[18,20]
Ştiind că 30
n şi înlocuind în expresia acceleraţiei, vom avea:
a = r900
n 22(cos +cos2)m/s2 (3.75)
adică acceleraţia este direct proporţională cu raza arborelui cotit şi cu pătratul turaţiei
motorului.
În poziţia când pistonul se află la PME, valoarea acceleraţiei va fi maximă.
În acest caz = 0. iar 2= 10, vom avea:
2
22
maxs/m1
90
rn1
900
rn10a
La mişcarea pistonului în jos acceleraţia se micşorează până la zero când
viteza pistonului atinge maximum, ceea ce corespunde unei întoarceri de cca. 90° a
arborelui, apoi iarăşi creşte dar cu sens invers până la PMI când avem:
2
2
mins/m1
90
rna
3.8.3 Dinamica mecanismului bielă-manivelă
În timpul funcţionării motorului, organele mecanismului bielă-manivelă au
mişcare diferită şi că în timpul mişcării lor apar o serie de forţe şi momente.
În timpul funcţionarii motorului, iau naştere următoarele forţe:
- Forţa presiunii gazelor arse, în interiorul cilindrului.
- Forţe de inerţie a maselor în mişcarea rectilinie alternativă şi a
maselor în mişcarea de rotaţie, mişcări care au loc cu acceleraţii.
93
La motoarele cu turaţie mare, aceste forţe ca mărime pot atinge valori
apropiate de forţa presiunii gazelor sau chiar mai mari.
- Forţe rezistente ca, reacţia în lagărele fusurilor cotite, forţe de
fiecare, forţe datorită greutăţii organelor etc.
Toate aceste forţe, cu excepţia forţei datoriţi greutăţii organelor îşi schimbă
valorile şi sensul lor în timp. Ele pot fi moi mari sau mat mici, pozitive sau negative.
În calcule se caută a se stabili forţele sumă sau rezultanta acestor forţe care
acţionează asupra organului respectiv. Astfel, pentru un motor monocilindric este
suficient să determinăm forţele şi momentele ce acţionează asupra mecanismului
bielă-manivelă, pe când la motoarele cu mai mulţi cilindrii trebuie să ţinem cont şi de
forţele şi momentele ce apar suplimentar datorita poziţiei diferite a coturilor arborelui.
Studiul tuturor forţelor ce apar în timpul funcţionarii motorului, a rezultantei
lor, precum şi studiul echilibrajului motorului, formează dinamica mecanismului bielă-
manivelă. Deoarece forţele de inerţie iau naştere sub influenţa acceleraţiei asupra masei
organelor în mişcare, înainte de a trece la studiul dinamic, trebuie să cunoaştem în
afară de caracterul mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă şi masele
acestor organe.
3.8.4 Forţe şi momente ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă
După cum am văzut, în timpul funcţionării motorului apare forţa datorită
presiunii gazelor şi forţe de inerţia datorită mişcării cu acceleraţie a organelor
mecanismului bielă-manivelă. De asemenea apar şi forţele rezistente, de frecare,
datorită greutăţii ete., dar valoarea lor fiind mică, ele se pot neglija.
Forţa depresiune a gazelor, Fg. Presiunea gazelor rezultată în urma arderii
combustibilului în camera de ardere a cilindrului, apasă în mod egal în toate direcţiile,
asupra pereţilor cilindrului, asupra chiulasei şi asupra pistonului (fig.3.30).
[1,8,11,33,35]
Presiunea gazelor asupra pereţilor cilindrilor se echilibrează reciproc şi nu se
transmite în exterior. Presiunea gazelor asupra chiulasei dă naştere unei forţe ce
acţionează în lungul axei cilindrului care tinde să desprindă chiulasa de pe cilindru.
Ea este preluată de şuruburile prezoane.
Ea se echilibrează cu forţa Fg care acţionează asupra pistonului, în lungul axei
cilindrului şi este de sens contrar.
Valoarea ei se va exprima astfel:
78.34
2
Npd
F gg
în care: Fg este forţa de presiune a gazelor arse, în N;
d- diametrul pistonului, în cm;
pg - presiunea specifică a gazelor, la momentul considerat, în bar
94
Fig.3.30. Schema acţiunii forţei de presiune a gazelor arse
Valoarea presiunii gazelor poate fi determinată după diagrama indicată
reală obţinută cu ajutorul indicatorului sau construită prin metoda grafică pe baza
calcului termic. De asemenea se poate folosi diagrama indicată desfăşurată care
arată variaţia presiunii gazelor în cilindru pe durata unui ciclu în funcţie de unghiul de
rotire a arborelui cotit (fig.3.31).
Fig.3.31. Diagrama indicată reală, desfăţurată în funcţie de unghiul arborelui
cotit
În calculul forţei de presiune a gazelor, trebuie sa ţinem cont de semnul forţei.
Astfel, dacă forţa este dirijată după sensul de mişcare a pistonului, cum este în cazul
detentei (către arborele cotit atunci ea este pozitivă şi va da naştere unui lucru mecanic
pozitiv şi invers, când este dirijată contra sensului de mişcare a pistonului, cum este în
cazul compresiei când se consumă lucru mecanic, ea este negativă.
Forţele de inerţie Fi apar ca rezultat al mişcării organelor mecanismului
bielă-manivelă, cu acceleraţie.
După felul mişcării maselor care compun mecanismul bielă-manivelă
deosebim: forţe de inerţie ale maselor în mişcare rectilinie-alternativa Fia şi forţe
de inerţie ale maselor în mişcare de rotaţie Fir.
95
În cazul unui motor cu un singur cilindru, forţele de inerţie ale maselor în
mişcare rectilinie-alternativă vor fi exprimate prin produsul mal cu acceleraţia
pistonului, luată cu semn invers.
Masele în mişcare rectilinie-alternativă (vezi formula 3.76) sunt:
mal=mp+m1
Acceleraţia pistonului a conform formulei (3.76) se exprimă:
a = r2(cos +cos2
Atunci, forţa de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie-
alternativă va fi:
Fia = -mal r2(cos +cos2)N (3.79)
Forţa de inerţie totală se considera ca o sumă a două forţe de inerţie şi anume:
- forţa de inerţie de ordinul I a cărei perioadă de variaţie corespunde unei rotaţii
complete a arborelui cotit, adică = 360. Ea se exprimă prin primul termen
al formulei (3.73)
F’ia=malr2cos
- forţa de inerţie de ordinul II a cărei perioadă de variaţie corespunde la o jumătate
de rotaţie a arborelui cotit, = 180 se exprima prin al doilea termen al
formulei (3.73).
F’’ia = - mal r2 cos 2
Ambele forţe F’ia şi F’’ia acţionează în lungul axei cilindrului, iar valoarea şi
sensul lor se schimbă în permanenţă.
Ca valoare, forţa de inerţie de ordinul al doilea F’’ia este de 3-5 ori mai mică
decât forţa de inerţie de ordinul I F’’ia.
Rezultă că forţa de inerţie datorita maselor în mişcare rectilinie alternativă
acţionează pe axa cilindrului şi întotdeauna are sens invers cu acceleraţia pistonului.
Când pistonul se găseşte la PME forţa de inerţie Fia este dirijată în sus, de la arborele
cotit spre exterior şi se consideră că este negativă. Când pistonul se găseşte la PMI
forţa de inerţie este dirijată în jos, către arborele cotit şi se consideră ca este pozitivă.
Forţa centrifugă de inerţie Fir, apare datorită mişcării de rotaţie a maselor mr
= m2 + mc, ale mecanismului bielă-manivelă, compuse din masa capului mare al
bielei şi masa neechilibrată a unui cot al arborelui motor (fig.3.32).
96
Fig.3.32. Schema acţiunii forţei centrifuge
Această forţă este dirijată după raza manivelei şi este aplicată în centrul
manetonului. La rotaţia uniformă a arborelui cotit, valoarea forţei centrifuge rămâne
constantă şi se exprimă prin relaţia:
Fir = mrr 2 (3.80)
3.8.5 Forţele sumă ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă
În afară de efectul izolat ce îl provoacă forţa luată în parte, asupra diferitelor
organe ale mecanismului bielă-manivelă, acţiunea comună a lor dă naştere la forţe
rezultante şi la momente având o anumită influenţă asupra funcţionării motorului, în
special în ceea ce priveşte echilibrarea lui (fig.3.33). Forţa de presiune a gazelor Fg
se transmite prin piston şi se consideră aplicată în centrul bolţului. Tot în acest punct
se consideră aplicată şi forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie alternativă.
Deci forţa sumă care acţionează asupra pistonului, va fi:
NFFFiag
(3.81)
După ce pistonul a plecat de la PMS, arborele cotit făcând un unghi oarecare ,
iar biela un unghi , această forţă sumă care acţionează în lungul axei cilindrului,
având punct de aplicaţie în centrul de greutate a bolţului şi ca sens dirijată în jos,
către arborele cotit, se descompune în două componente care sunt dirijate după
două direcţii şi anume:
- Forţa Fb dirijata în lungul bielei, a cărei valoare este:
Fb= Ncos
F
(3.82)
şi forţa Fn normală (perpendiculară) pe peretele cilindrului, a cărei valoare este:
NFtgFn
(3.83)
Forţa Fb se transmite prin bielă la articulaţia manetonului, iar forţa Fn va produce
apăsarea pistonului asupra peretelui cilindrului şi va provoca uzura lor datorită
frecării reciproce. Datorită frecării pistonului de peretele cilindrului, se produce cu
timpul ovalizarea acestuia din urmă.
Valoarea cea mai mare a forţei Fn va fi în timpul cursei motrice, iar în cursa de
compresie valoarea ei este mai mică.
Transpunând forţa Fb în centrul de greutate al manetonului şi descompunând-
o obţinem componentele: Fz – dirijată radial, în lungul braţului manivelei către axa
geometrică a arborelui cotit şi Ft – tangentă la circumferinţa descrisă de maneton în
timpul rotaţiei sale şi dirijată după sensul de rotaţie.
Valorile lor sunt:
84.3cos
coscos NFFF bz
97
ş
85.3cos
sinsin NFFF bt
Unghiul (+) este unghiul format de direcţia forţei Fb şi raza manivelei, ca
unghi exterior triunghiului.
Fig.3.33. Schema forţelor şi momentelor ce iau naştere în mecanismul
bielă-manivelor în timpul funcţionării motorului
Dacă transpunem forţa Fz pe linia de acţiune a ei aplicând-o în centrul
palierului, care este centru de rotaţie al arborelui cotit şi totodată aplicând în acest
punct două forţe opuse ca sens F’t şi F’’t , iar paralele şi egale cu forţa tangenţială
Ft, atunci forţele Fz şi Fr se vor compune dând, iar forţele şi cu braţul r egal cu raza
manivelei, vor da naştere unui moment numit moment motor sau moment rotitor:
Mm = Ft r kgm (3.86)
Înlocuind valoarea forţei tangenţiale Ft conform formulei vom avea:
87.3cos
sinkgmrFMm
Momentul motor produce rotaţia arborelui cotit. El se transmite prin toate
mecanismele transmisiei tractorului sau automobilului până la roţile motrice, fiind
folosit pentru învingerea tuturor rezistenţelor exterioare.
98
Forţele Fz şi F"t vor compune dând rezultanta F’b=Fb care este o forţă liberă,
aplicată în centrul de rotaţie al arborelui cotit. Ea se descompune în două
componente: una orizontală F’n şi una verticală F’’. Componenta orizontală F’n este
egală cu componenta normală pe peretele cilindrului Fn. Distanţa între ele fiind h,
cuplul lor formează un moment numit moment rezistent sau basculant.
kgmhFMnrb (3.88)
Deoarece direcţia şi sensul momentului motor Mm o considerăm ca pozitivă,
atunci apare evident că momentul basculant Mrb este dirijat în sens invers. Ca
mărime, valoarea momentului basculant este egală cu valoarea momentului
motor. El se mai numeşte şi moment reactiv sau moment de răsturnare, deoarece
are tendinţa să răstoarne motorul într-o parte şi este preluat de rama sau cadrul pe
care este montat motorul. Deci:
hFMMnrbm
(3.89)
Componenta verticală F' este egală cu forţa sumă F aplicată în bolţul
pistonului. Deoarece F' acţionează pe axa cilindrului fiind aplicată în centrul
palierului, ea este liberă, rămâne neechilibrată şi se transmite prin bloc-carterul
motorului.
De fapt nu se transmite valoarea ei întreagă, deoarece în. camera de ardere forţa
de presiune a gazelor arse care apasă asupra chiulasei are aceeaşi linie de acţiune dar
în sens contrar.
Făcând suma algebrică a lor, rezultă că rămâne să acţioneze liber în mecanismul
bielă-manivelă forţele:
F-Fg=Fia
adică sunt libere forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie alternativă.
Din aceste motive, pentru a reduce efectul acestor forţe în scopul de a obţine un
regim uniform de funcţionare a motorului, se iau măsuri pentru echilibrarea lui.
Forţa tangenţială Ft prezintă importanţă deosebită deoarece ea dă naştere
momentului motor sau rotitor
Mm=Ft r
Deoarece raza manivelei r este o mărime constantă, atunci variaţia valorii
forţei tangenţiale va reprezenta la o anumită scară, variaţia momentului rotitor.
Momentul rotitor ca valoare variază în permanenţa, iar în punctele moarte valoarea lui
este egală cu zero, deoarece forţa tangenţială se aceste puncte, iar braţul de asemenea
este egal cu zero.
De aceea, se face o valoare medie a momentului motor, iar în cazul motoarelor
cu mai mulţi cilindrii se face suma algebrică a momentelor motoare de la toţi cilindrii
io funcţie de unghiul de rotaţie al arborelui cotit , şi apoi se determină şi valoarea
momentului motor mediu Mmm.
Pentru verificarea valorii momentului motor mediu Mmm se determină
puterea motorului după diagrama indicată.
Relaţia dintre puterea indicată şi momentul motor este următoare:
99
90.32,7167560
2
75CP
nMnMMP mmmmmmm
i
Forţele care iau naştere pe fusul maneton, sunt forţele de inerţie Fir datorită
masei concentrată în fusul maneton m2, de asemenea forţa radială Fz aplicată în
centrul manetonului şi dirijată în lungul manivelei către centrul arborelui cotit. Deci
forţa sumă care ia naştere pe fusul maneton va fi determinată ca sumă algebrică a celor
două forţe:
Fm=Fir+Fz N (3.91)
iar forţa sumă rezultantă ce acţionează asupra fusul maneton va fi :
NFFR 2
m
2
t (3.92)
Rezultă că în urma mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă în timpul
funcţionării motorului, iau naştere următoarele forţe şi momente:
- Forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie după axa cilindrului
Fia
- Forţa de inerţie centrifugă datorită maselor în mişcare de rotaţie a capului
mare al bielei concentrate în maneton Fir
- Momentul rezistent al basculantei Mrb
3.8.6 Echilibrarea motorului
Din studiul dinamicei motorului, când am luat în considerare un motor
monocilindric, s-a văzut că în timpul funcţionării motorului, rămân libere, adică se
transmit ramei motorului următoarele forţe şi momente [1,8,11,33,35]:
a) Forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie-alternativă care este:
cosrmF 2
1aia- de ordinul I şi
cosrmF 2
1aia - de ordinul II
b) Forţa centrifugă a maselor neechilibrat, în mişcare de rotaţie care este dirijată
perpendicular pe axa arborelui cotit, după raza manivelei.
Fir = mrr2
c) Momentul rezistent sau basculant, neechilibrat în interiorul motorului
şi care se transmite la saşiu sau rama motorului. El este egal şi de sens contrar cu
momentul motor şi dirijat contrar sensului de rotaţie al arborelui motor.
Mm=-Mrb=-Fnh
Toate aceste forţe şi momente schimbându-şi periodic sensul şi atingând valori
destul de mari, acţionează asupra organelor motorului şi asupra îmbinărilor dintre
ele, se transmit cadrului motorului şi tractorului sau automobilului. Prin acţiunea lor
se slăbesc înşurubările şi posibilitatea de defectare a maşinii este mult mai rapidă.
100
În afară de aceasta, vibraţiile provocate de aceste forţe periodice micşorează puterea
motorului.
Pentru înlăturarea acţiunii acestor forţe si momente, motorul se echilibrează,
reuşindu-se prin aceasta să se înlăture parţial sau total forţele şi momentele
neechilibrate ce apar în mecanismul bielă-manivelă.
Motorul echilibrat se numeşte acel motor, la care forţele ce se transmit ramei,
la un regim de lucru stabilizat, sunt permanente ca mărime si direcţie. Echilibrajul
motorului depinde de numărul şi dispoziţia cilindrilor şi de configuraţia arborelui cotit.
Echilibrajul se obţine prin adăugire de contragreutăţi pe prelungirile braţelor
arborelui, precum şi prin configuraţia pe prelungirile braţelor arborelui, precum şi prin
configuraţia corectă a acestuia, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii.
3.8.7 Energia cinetică a volantei
O volantă care se roteşte este deci în mişcare, deţine o rezerva de energie
cinetică. În general, energia cinetică a unui corp in mişcare se exprimă prin formula:
2
ME
2
v
în care: M este masa corpului, în kg
v - viteza liniara, în m/s.
În cazul unui corp care se roteşte în jurul unei axe, cum este volanta, ţinând cont
de faptul că viteza liniară se exprimă prin produsul dintre rază si viteza unghiulari,
v = R , energia cinetică a volantei se va scrie sub forma:
97.322
222 MRME v
v
în care: M este masa volantei, în kg;
v - viteza liniară la obada volantei, în m/s;
R - raza volantei considerată ca distanţa centrului de greutate a secţiunii
obezii volantei pană la axa geometrică de rotaţie, în m;
w - viteza unghiulară de rotaţie a volantei, în rad/s.
3.9. Mecanismul de distribuţie a gazelor
Mecanismul de distribuţie asigură introducerea aerului sau amestecului
carburant în interiorul cilindrului şi evacuarea gazelor arse, la timp precis, în cantităţi
strict determinate şi intr-o anumită ordine.
101
Fig.3.35. Schema mecanismului de distribuţie inferioară
Fig.3.36. Schema mecanismului de distribuţie superioară
Pentru fiecare marcă de motor, sunt stabilite faze de distribuţie optime,
datorită cărora procesele din interiorul cilindrului decurg în aşa fel încât motorul
dezvoltă puterea maximă.
La motoare de tractor şi automobil se întâlnesc trei feluri de mecanisme de
distribuţie şi anume: cu supape, cu ferestre sau orificiu şi mixt.
102
La motoare în 4 timpi se, foloseşte distribuţia cu supape. Ea poate fi realizată în
două variante constructive şi anume:
Distribuia inferioara, având supapele aşezate lateral în blocul motorului
(fig.3.35). Acest tip este folosit Ia motoarele cu carburator. Constructiv este mai
simplu, ceea ce duce la micşorarea greutăţii motorului. Prezintă însă dezavantajul că
se obţine o cameră de ardere de formă mai întinsă, din care cauză procesele de ardere
durează mai mult, admisia aerului se face cu rezistenţă mare, iar în timpul arderii se
creează condiţii de apariţia detonaţiei. Din aceste motive, motoarele cu distribuţie
inferioară au gradul de compresie mic ( = 6,3-6,5) deci lucrează mai puţin
economic.[1,21,27,33]
Distribuţia inferioară sau suspendată, având supapele aşezate în capul
motorului (fig. 3.36). Distribuţia cu supapele în cap se foloseşte la motoarele cu
carburator şi exclusiv la motoarele Diesel. Acest tip este cel mai mult folosit astăzi
Ia motoarele de tractor, deoarece permite obţinerea unei camere de ardere mai
compacte, având calităţi antidetonante ridicate. Ca urmare, motorul poate avea un
grad de compresie mai ridicat ( = 7,5-8,2 ta motoare cu carburator şi = 17-21 la
Diesel) o putere litrică mai mare şi un consum specific mai mic.
Mecanismul de distribuţie se compune din două grupe de piese, a căror număr,
formă şi rol variază după tip marcă.
l. La distribuţia inferioară (fig.3.35) în prima grupă intră; supapele de
admisie şi evacuare I, ghidul supapei 2, arcul supapei 3, talerul 4 şi siguranţele
de fixare 5.în grupa a doua intră: împingătorul sau tachetul 6, axul cu came sau axul
de distribuţie 7 şi angrenajele 9 de transmiterea mişcări de la arborele cotit la axul cu
came.
Funcţionarea mecanismului de distribuţie inferioară se face astfel:
- supapa I sub presiunea arcului 3 este apăsată strâns în locaşul său. Prin
intermediul roţilor dinţate mişcarea de rotaţie de la arborele cotit se transmite axului
cu came 7. Cama 8 m timpul rotaţiei atacă tachetul 6 si-l ridică, iar acesta din urmă
apasă asupra capătul inferior al tijei supapei, învinge tensiunea arcului 3 şi ridică
supapa, care în acest fel deschide orificiul (de admisie sau de evacuare) obturat,
stabilind legătura între conductă (admisie sau evacuare) şi interiorul cilindrului.
2. Distribuţia superioară (fig.3.36) cuprinde următoarele piese în prima grupă:
supapele l de admisie şi evacuare, ghidul supapei 2, arcul supapei 3, talerul 4 şi
siguranţa de fixare, culbutorul 5 cu şurubul de reglare 6, axul culbutorului 7, suporţii
axului culbutorului S. Toate aceste piese sunt aşezate pe capul cilindrului.
în grupa a doua intră: tija 9, tachetul 10, axul cu came 11, angrenajele de
transmiterea mişcării 12.
Ca funcţionare, deosebirea constă în aceea că mişcarea de rotaţie a arborelui
cotit este transmisă prin angrenaje la axul cu came, apoi la tacheţi 10, iar de la aceştia
la tija 9, care la rândul ei transmite mişcarea către culbutorul 5. Culbutorul fiind o
pârghie cu două braţe, atunci când este ridicata de un capăt, oscilează în axul său şi
coborând capătul al doilea apasă pe tija supapei şi învingând tensiunea arcului 3, ridică
supapa I, de pe locaşul ei. La orice motor, supapa este deschisă total în momentul când
103
tachetul se găseşte pe vârful camei. După ce cama trece cu vârful ei de sub tachet, acesta
începe să coboare şi supapa începe să se închidă.
3.9.1 Diagrama fazelor de distribuţie
Momentele deschiderii şi închiderii supapelor şi durata operaţiunilor
componente a. proceselor termice pe un ciclu de funcţionare, denumite faze, se
reprezintă pe diagrama circulară (numită ciclogramă) de distribuţie.
Fig.3.37. Diagramele circulare ale fazelor de distribuţiei a motoarelor de tarctor
şi automobil folosite în ţara noastră
Diagramele circulare ale fazelor de distribuţie de la motoarele tractoarelor şi
automobilelor folosite la noi în ţară sunt arătate în figura 3.37. Diagramele de distribuţie
arată poziţia pistonului în cilindru exprimată prin unghiuri de rotaţie a arborelui cotit,
în raport cu punctele moarte superior şi inferior. Ele servesc pentru punerea la punct
si reglajul distribuţiei unui motor.
3.10 Sistemul de alimentare
3.10.1 Generalităţi
Sistemul de alimentare la tractoare şi automobile are rolul de a păstra în
imediata apropiere a motorului o rezervă de combustibil, de a condiţiona (filtra)
104
combustibilul şi al introduce fie sub formă de amestec gata pregătit (la motoare
cu carburator), fie separat (la motoare Diesel) în interiorul cilindrilor motorului.
[2,4,9,12]
Sistemul de alimentare se compune din: rezervoare, filtre de aer şi
combustibil, pompe de combustibil, iar în funcţie de felul ciclului care stă la baza
funcţionării motorului respectiv, se află carburatorul sau pompa de injecţie şi
injectorul.
Toate organele componente sunt legate între ele prin conducte corespunzător cu
felul şi locul de formare al amestecului, este diferită şi construcţia sistemului de
alimentare, totuşi o serie de organe sunt comune tuturor motoarelor termice cu
ardere internă, indiferent de ciclul de funcţionare şi numărul de timpi ai motorului.
Organele comune sunt: rezervoarele de combustibil, filtrele de aer si conductele
de legătura. Celelalte organe au caracteristici constructive specifice fiecărui tip de
motor.
3.10.2 Carburaţia
Procesul formării amestecului carburant, în afara cilindrilor motorului, se
numeşte carburaţie. La acest proces iau parte două elemente componente: aerul şi
combustibilul.
Dispozitivul pentru pregătirea amestecului se numeşte carburator şi are rolul
de a pulveriza şi a vaporiza cât mai bine benzina şi de a o amesteca cât mai omogen cu
aerul.
Trecând un curent de aer deasupra unui vas deschis în care se află benzina, dacă
suprafaţa deschisă a vasului este mică, iar viteza aerului este mare, în acest caz curentul
de aer va antrena cu el continuu în particule mici de benzină formând un jet de pulbere
fină.
Această proprietate a lichidului de a se pulveriza într-un curent de aer stă la
baza construcţiei carburatorului. Procesul carburaţiei se numeşte pulverizare, iar
carburatorul la rândul lui: carburator pulverizator,
3.10.3 Componenţa amestecului carburant necesar la diferite regimuri de
lucru ale motorului
Cerinţa de bază faţă de un carburator este aceea ca el sa fie în stare de a pregăti
amestecul carburant cel mai convenabil pentru orice regim posibil de funcţionare a
motorului, asigurând în fiecare caz o pulverizare fină a combustibilului şi
amestecarea lui cu aerul. [3,5,9]
Regimul de pornire al motorului. Este unul dintre regimurile de funcţionare oarecum
anormale, la pornire motorul este rece, turaţia motorului este mică, deci viteza
aerului şi depresiunea în difuzorul carburatorului vor fi de asemenea mici. Aceasta
înseamnă că pentru formarea amestecului carburant sunt condiţii grele.
105
Combustibilul va fi absorbit cu greu din jicler, se va pulveriza slab. Deoarece
motorul este rece, are loc o condensare a combustibilului pulverizat şi parţial
vaporizat. Din aceste cauze, spre a asigura pornirea motorului, este necesar ca în
camera de amestec să sosească o asemenea cantitate de combustibil, încât chiar la
vaporizarea numai a fracţiunilor celor mai volatile a combustibilului, să se obţină un
amestec capabil să se aprindă în cilindru.
Aceasta înseamnă că este necesar să se introducă o cantitate mai mare de
combustibil faţă de cea normală necesară, deci amestecul trebuie să fie bogat şi
chiar foarte bogat, coeficientul excesului de aer fiind a = 0,75-0,80.
Funcţionarea motorului în sarcină mică. Acest regim corespunde deschiderii
paletei de amestec cu 20-20%, din deschiderea completă.
La acest regim, datorită deschiderii mici a paletei de acceleraţie, depresiunea şi
viteza aerului în difuzor vor fi mai mici şi nu se va putea face o pulverizare buna a
combustibilului.
Acest lucru ne arată necesitatea îmbogăţirii amestecului. Pentru obţinerea unui
regim de lucru stabilizat, în aceste condiţii trebuie să avem un amestec îmbogăţit,
cu coeficientul excesului de aer = 0,90-0,95.
Funcţionarea motorului la sarcină normală. Acest regim corespunde sarcinilor
mai mari, aproximativ 80-85% din puterea motorului. Paleta de amestec se deschide
65-70% din deschiderea totală. La acest regim, motorul lucrează în cea mai mare
parte din timpul exploatării lui, când se consuma cea mai mare parte din combustibil.
De aceea, la acest regim motorul trebuie să aibă o funcţionare economică, cu
coeficientul de 1,05-1,10. Regimul termic al motorului la turaţii şi sarcini medii este
stabilizat şi este posibilă obţinerea unei pulverizări si vaporizări uşoare a
combustibilului din amestec.
La acest regim e posibil să obţinem o ardere normală şi completă a amestecului
din cilindri, chiar dacă amestecul este puţin sărac (a = 1,10).
Funcţionarea motorului la sarcina maximă. În timpul funcţionării motorului,
pentru a învinge sarcinile mari, trebuie să obţinem puterea maximă pe care
motorul este capabil să o dezvolte.
În acest caz paleta de acceleraţie se deschide total, iar amestecul carburant
pregătit de carburator trebuie să fie bogat, ceea ce corespunde la coeficientul
excesului de aer, a = 0,80-0,85.
Regimul de funcţionare a motorului la mersul în gol. La mersul în gol (mers
încet) când motorul este fără sarcină, paleta de acceleraţie este deschisă puţin, sub
20% din deschiderea ei totală.
Deoarece depresiunea şi viteza aerului în carburator sunt mici, paleta de
acceleraţie fiind aproape închisă, cantitatea de amestec care intră în cilindru va fi
mică. În cilindru ea se amesteca cu gazele arse, neevacuate, rămase de la ciclul
anterior.
Motorul fiind mai rece, au loc condensări ale părţilor volatile, ceea ce
depreciază calitatea compoziţiei amestecului.
106
Dacă această cantitate mică de amestec va fi săracă în combustibil, atunci
capacitatea de aprindere şi viteza de ardere a amestecului vor fi mai mici, iar presiunea
în urma arderii fiind slabă, vor fi posibile întreruperi în funcţionarea motorului, care
duc la funcţionarea neechilibrată sau oprirea lui.
Un amestec mai bogat va da presiuni mai înalte la ardere, îşi va mări capacitatea
lui la aprindere şi nu vor mai fi întreruperi în funcţionarea motorului.
Din aceste motive la regimul de mers în gol motorul trebuie să fie alimentat cu
un amestec îmbogăţit corespunzător unui coeficient al excesului de aer: a = 0,85-0,90.
3.10.4 Compoziţia amestecului carburant pregătită de un carburator simplu
La un carburator simplu, prevăzut cu o cameră cu plutitor, cameră de
amestec şi un singur jicler, cu diametru potrivit putem obţine o formare bună a
amestecului carburant, însă numai la o anumită turaţie a arborelui cotit,
corespunzătoare regimului normal de lucru. [2,24,29,32]
Un motor, în timpul funcţionării sale, întâmpină diferite rezistenţe. Dacă
motorul este pe tractor sau automobil, atunci rezistenţele variază în funcţie de
viteza de deplasare, sarcina la cârligul de tracţiune la tractor, sau încărcarea
automobilului, de natura terenului pe care se deplasează etc.
Se spune că motorul lucrează la sarcină variabilă. Corespunzător acestor
condiţii, se schimba puterea dezvoltată de motor şi turaţia motorului.
Deci, puterea şi turaţia motorului sunt determinate pe de o parte de cantitatea
de amestec carburant care va intra în cilindrii motorului, iar de altă parte de mărimea
rezistenţei care trebuie învinsă de motor la un moment dat.
Cantitatea de amestec carburant introdusă în cilindri va fi cu atât mai mare,
cu cât se va deschide mai mult paleta de acceleraţie. Dar cu cât se deschide mai
mult paleta de acceleraţie, cu atât depresiunea în difuzorul carburatorului va fi mult
mai mare şi prin difuzor va trece o cantitate mai mare de aer în unitatea de timp.
Însă, odată cu aceasta se va mări şi viteza de scurgere a combustibilului din
jicler, care va fi absorbit mai puternic încât componenţa amestecului carburant se va
schimba, având tendinţa de a se îmbogăţi.
La închiderea paletei de acceleraţie (deci şi la scăderea turaţiei) depresiunea în
difuzor se va micşora, scurgerea combustibilului va fi mai slabă iar amestecul carburant
va avea tendinţa să devină mai sărac.
Asemenea schimbare a componenţei amestecului carburant în primul rând se
explică prin aceea că prin mărirea depresiunii în carburator, greutatea specifică a aerului
se micşorează, iar greutatea specifică a combustibilului practic rămâne aceeaşi,
înseamnă că într-o unitate de timp (secundă, minut, oră) în camera de amestec a
carburatorului vor intra asemenea cantităţi de aer şi combustibil, încât amestecul devine
bogat.
Prin urmare, un carburator elementar al cărui jicler a fost tarat pentru a
permite trecerea unei cantităţi de combustibil corespunzătoare formării amestecului
107
normal la turaţie nominală a motorului, pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie va
pregăti un amestec din ce în ce mai bogat.
La turaţia maximă când paleta de acceleraţie va fi deschisă total, amestecul
carburant va deveni atât de bogat încât combustibilul nici nu se va putea aprinde din lipsă
de aer, iar motorul se va opri din funcţionare.
La acelaşi rezultat se va ajunge în sens invers, când turaţia scade şi
amestecul devine mai sărac.
Rezultă că un Carburator elementar nu poate face faţă condiţiilor diferite
de funcţionare a motorului, a cărui regim ca sarcină sau ca viteză (turaţie)
variază în limite destul de mari.
Pentru ca un carburator să poată pregăti la diferite regimuri de
funcţionare a motorului, amestecul carburant de componenţa
corespunzătoare, el se echipează cu o serie de dispozitive speciale.
Cu ajutorul lor, carburatorul are posibilitatea să menţină componenţa normală a
amestecului, precum şi să o schimbe în funcţie de regimul de lucru
3.10.5 Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul curentului de aer
Carburatoarele se caracterizează prin direcţia şi sensul curentului de aer care
trece prin ele în timpul funcţionarii motorului. [2,24,29,32]
Carburatoarele în care aerul intră (în carburator) lateral sau de jos, însă
întotdeauna trece prin difuzor, de jos în sus, încât şi amestecul carburant format se
scurge în sus, se numesc carburatoare verticale având curentul de aer ascendent. La
acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea superioară. Carburatoarele la
care curentul de aer intră lateral sau de sus, şi întotdeauna trece prin difuzor de sus
în jos, deci şi amestecul carburant format se scurge de sus în jos, se numesc
carburatoare inversate sau având curentul în cădere.
La acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea inferioară, iar
carburatorul se montează deasupra cilindrilor motorului.
Carburatoarele la care aerul intră lateral si are o mişcare pe direcţie
orizontală, deasemenea se mişcă pe orizontală şi amestecul carburant, se numesc
carburatoare orizontale, având centrul orizontal.
Indiferent de tipul carburatorului, principiile de funcţionare a
carburatorului elementar şi a dispozitivelor cu care se echipează, rămân aceleaşi.
De cele mai multe ori se întâlnesc carburatoare direct-verticale.
Pe automobile încep să fie întrebuinţate în măsură mare carburatoarele
inversate, prin poziţia lor, accesul la carburator, verificarea şi îngrijirea lor este mai
uşoară.
Deasemenea, după unele date experimentale, carburatoarele inversate
permit o umplere mai bună a cilindrilor cu amestec carburant obţinându-se de la motor
o putere întrucâtva mai mare.
108
Fig.3.38. Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul de mişcare al
amestecului carburant a-direct ascendent; b- inversat-descendent; c- orizontal
3.10.6 Metodele şi dispozitivele de reglare a compoziţiei amestecului
Schimbarea compoziţiei amestecului cu ajutorul dispozitivelor ce se prevăd la
carburatorul elementar se numeşte: compensarea amestecului.
Compensarea amestecului se face prin următoarele metode: compensarea prin
frânarea pneumatică a combustibilului, compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului
suplimentar numit jicler compensator şi compensarea amestecului prin schimbarea
secţiunii difuzorului.
Compensarea prin frânarea pneumatică a combustibilului
Fig.3.39 Schema carburatorului cu dispozitiv de compenasare prin frânare
pneumatică[2,24]
La acest carburator, combustibilul din camera plutitorului 3, după ce iese din
jiclerul principal 4, pătrunde în tubul de pulverizare 6 şi într-un canal intermediar
vertical 5, numit puţ aerian.
Canalul intermediar la partea superioară are un orificiu calibrat numit jicler
de aer (de frânare) 2, care este în legătură cu atmosfera şi prin care intră aer, în
cantitate strict determinată de secţiunea lui. Când motorul nu funcţionează, nivelul
109
combustibilului este acelaşi în camera de nivel constant 3, în canalul intermediar J
şi în tubul pulverizator 6.
În timpul funcţionării motorului, când depresiunea din camera de amestec
creşte, combustibilul soseşte într-o cantitate mică din camera de nivel constant 3
datorită secţiunii înguste a jiclerului principal 4.
În acelaşi timp, combustibilul se consumă într-o cantitate mai mare din canalul
intermediar 5 şi din tubul pulverizator 6, şi nivelul lui în canalul intermediar 5 scade.
Aerul care pătrunde în coloana puţului intermediar de frânare 5, prin jiclerul
de frânare 2, se scurge împreuna cu combustibilul prin tubul pulverizator 6,
favorizează o mai bună pulverizare a combustibilului şi totodată micşorând
depresiunea la orificiul calibrat 4 frânează scurgerea combustibilului. Secţiunea
fiecărui jicler: principal 4 şi de frânare 2, se aleg în aşa fel încât la regimul nominal de
funcţionare a motorului (la sarcină nominală) carburatorul dă amestecul de carburant
normal.
Compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului compensator
Fig.3.40. Schema carburatorului cu jicler compensator[2,24]
Jiclerul compensator are rolul de a modifica cantitatea de combustibil ce
intră în carburator, în funcţie de schimbarea poziţiei paletei de amestec. La acest
carburator, combustibilul din camera de nivel J intră concomitent, în conducta
jiclerului principal 3 direct, iar în puţul 5 şi tubul pulverizator 4 prin jiclerul
compensator Z în timpul funcţionării motorului, în carburator se creează o
depresiune, datorită căreia din jicler începe să se curgă combustibil care se va
amesteca cu aerul în camera de amestec.
Dacă carburatorul ar fi avut un singur jicler principal 7, atunci pe măsura
deschiderii paletei de amestec 8 şi vitezei aerului, amestecul s-ar îmbogăţi continuu.
Cu ajutorul jiclerului compensator e posibilă menţinerea unui amestec
constant, independent de viteza aerului din difuzor. Astfel la o deschidere mică a
paletei de amestec, combustibilul este absorbit din ţevile ambelor jiclere. Pe măsura
110
deschiderii paletei, depresiunea în difuzor creşte şi totodată se măreşte şi consumul
de combustibil din ambele jiclere.
La ţeava 3 a jiclerului principal 7, combustibilul soseşte tot timpul uşor,
fără a întâmpina nici o rezistenţă, pe când în tubul compensator 4, combustibilul
vine mai greu, fiind dozat înainte de a intra în puţul compensator 5, prin jiclerul
compensator 2.
Ca urmare, corespunzător consumului, tubul jiclerului compensator 4 nu va
fi completat suficient cu combustibil, încât nivelul combustibilului din puţ şi din
tubul jiclerului compensator începe să scadă.
La deschiderea mai mare a paletei de amestec, datorită depresiunii mari în
difuzor, tot combustibilul din puţul compensator va intra în camera de amestec, iar
în continuare, prin puţul compensator şi prin conductă jiclerului compensator, va
sosi aerul care va antrena în mod continuu o cantitate mică de combustibil, formându-
se o emulsie.
Mărind şi mai mult deschiderea paletei de amestec, depresiunea se va mări
continuu şi calitatea de aer debitată prin tubul jiclerului compensator va creşte, pe
când cantitatea de combustibil antrenată de acest aer rămâne constantă, înseamnă că
pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie, amestecul care soseşte din tubul
jiclerului compensator devine din ce în ce mai sărac.
Rezultă că la creşterea turaţiei motorului, jiclerul principal tinde tot timpul să
îmbogăţească amestecul, iar jiclerul compensator acţionează invers, tinde să
sărăcească amestecul.
Compoziţia amestecului luat în întregime se obţine ca o medie a celor două,
rezultând un amestec carburant normal.
3.10.7 Compensarea amestecului prin schimbarea automată a secţiunii
difuzorului
Schema carburatorului cu secţiune variabila a difuzorului este arătată în
figura3.41, iar funcţionarea este următoarea:
Fig.3.41. Scema carburatorului cu difuzor variabil în secţiune
111
Din camera de nivel constant, combustibilul trecând prin jiclerul 2 si tubul
pulverizator 3 este antrenat de curentul de aer, în centrul difuzorului formându-se
amestecul carburant.
Difuzorul este compus din patru plăci fasonate 4, articulate pe axele 5, în jurul
cărora se pot roti. Poziţia plăcilor este determinată de arcurile 6.
La turaţie mică a motorului datorită arcurilor, plăcile sunt apropiate şi secţiunea
difuzorului este minimă.
La creşterea sarcinii sau a turaţiei, depresiunea în camera de amestec
mărindu-se, se măreşte şi viteza aerului care trece prin difuzor.
Ca urmare, plăcile se îndepărtează comprimând arcurile şi prin aceasta se
măreşte secţiunea difuzorului. Prin mărirea debitului de aer, datorită creşterii
secţiunii difuzorului, depresiunea în camera de amestec se micşorează şi prin aceasta
se micşorează şi consumul de combustibil iar amestecul devine mai sărac.
Calitatea necesară a amestecului se obţine prin alegerea corespunzătoare a
plăcilor şi arcurilor. Un asemenea carburator asigură formarea amestecului
corespunzător în bune condiţiuni la turaţie nominală a motorului (la sarcină medie)
însă la sarcina mare amestecul se obţine prea sărac, din care motiv această metodă
de compensare a amestecului se foloseşte în combinaţie cu alte metode cum ar fi
metoda includerii în funcţiune a jiclerelor în mod succesiv.
3.10.8 Dispozitivul pentru funcţionarea carburatorului la mers în gol
În timpul opririlor de scurtă durata a tractorului sau autocamionului, motorul se
trece pe regim de funcţionare în gol (fără sarcină sau relanti).
Deoarece motorul funcţionează fără sarcină, este necesar o cantitate mică de
amestec, din care motiv paleta de acceleraţie este aproape total închisă.
Prin aceasta, depresiunea în camera de amestec este foarte mică, încât
combustibilul nu poate fi absorbit din jiclerul principal, nici din cel compensator. Ca
urmare, amestecul carburant, devine foarte sărac cu care motorul nu poate funcţiona.
Pentru a fi posibilă funcţionarea motorului la mers în gol, carburatorul trebuie să aibă
dispozitiv special de mers în gol.
Acest dispozitiv (fig.3.42) este un jicler 9, prevăzut la capătul tubului 10, care
se alimentează de la camera de nivel constant prin puţul lateral II, şi care comunică
prin orificiul 12 deasupra paletei de acceleraţie 8.
La mers în gol fiind necesara o cantitate mică de amestec, orificiul calibrat 9 cu
jicler de mers în gol ar trebuie să fie foarte mic, dar atunci va exista pericolul înfundări
lui, din care cauză secţiunea jiclerului se face mai mare.
112
Fig3.42. Schema carburatorului cu jicler de mers în gol
Spre a evita îmbogăţirea excesivă a amestecului 10, soseşte aer din atmosferă
sau din interiorul carburatorului prin orificiul de intrare a aerului 13, care este reglat
cu ajutorul unui şurub 14 cu vârf conic. Aerul admis prin orificiul 13 micşorează
depresiunea deasupra jiclerului de mers în gol şi temperează scurgerea
combustibilului în exces. Prin aceasta e posibil ca secţiunea jiclerului de mers în gol
să se facă ceva mai mare.
În acelaşi timp, aerai şi combustibilul formează emulsie, care datorita
depresiunii mari deasupra paletei de acceleraţie, se scurge prin orificiul 12 şi
întâlnindu-se cu aerul ce scapă între pereţii camerei de amestec si paleta de
acceleraţie 8, formează un amestec bogat ce trece în cilindri.
Calitatea amestecului necesar pentru mers în gol se obţine prin reglarea
poziţiei şurubului cu vârf conic 14 care limitează mai mult sau mai puţin secţiunea
pentru trecerea aerului în tubul de mers în gol W. La înşurubare, secţiunea se
micşorează iar amestecul se îmbogăţeşte şi invers.
De remarcat faptul că o deschidere relativ mică a paletei de acceleraţie
provoacă o debitare simţitoare a aerului din camera de amestec, ceea ce opreşte
sosirea combustibilului prin tubul de mers în gol.
Aceasta produce deranjări în funcţionarea motorului la mers în gol sau
chiar oprirea lui. Spre a evita oprirea motorului la trecerea de la mers în gol la
regim de sarcină, la multe carburatoare se prevăd două orificii de pulverizare
(fig.4.5) iar poziţia paletei de acceleraţie la regim de mers în gol se află între ele.
În prima situaţie, când paleta este mai mult închisă emulsia de combustibil
trece numai prin orificiul superior a, iar prin orificiul inferior b, soseşte în plus
aer care emulsionează mai puternic combustibilul.
Când paleta de acceleraţie se deschide mai mult, cum se întâmpla la
trecerea progresivă către regimul de sarcină, atunci ambele orificii vor fi deasupra
paletei, deci în zona depresiunii maxime şi emulsia va fi absorbită prin ambele
113
orificiu deci cantitatea ci creşte iar motorul capătă turaţie în mod progresiv şi
poate fi pus în sarcină tară pericol de a se opri.
Dispozitive de îmbogăţirea amestecului ta pornire La pornire, motorul este
rece, fiind rotit cu o turaţie mică depresiunea formală în difuzor este mică şi
viteza aerului care trece prin difuzor este de asemenea mică. Din aceste motive
tubul de pulverizare a jicleruluî principat se scurge o cantitate mică de combustibil
care se pulverizează slab. Rezultă un amestec sărac care nu poate asigura arderi
intense în cilindru.
Deasemenea, viteza mică de sosire a amestecului carburant în cilindri şi
temperatura scăzută a conductelor de admisie favorizează condensarea
fracţiunilor volatile, iar amestecul devine şi mai sărac.
Îmbogăţirea amestecului la pornire se face cu ajutorul următoarelor
dispozitive: paleta de aer 7, (fig.3.43), prin închiderea căreia se creează o
depresiune puternica în difuzor, ceea ce favorizează o scurgere intensă de
combustibil din tubul de pulverizare a jiclerului principal.
Paleta de aer se montează pe un ax în conducta de intrare a aerului în
carburator şi este comandată prin tije de la conductor. Imediat, după ce motorul a
pornit, paleta de aer trebuie adusă în poziţia total deschisă.
În acelaşi scop, de îmbogăţire a amestecului la pornire, se foloseşte butonul
de cufundare a plutitorului în camera de nivel constant.
Prin acţionarea butonului se ridică în mod artificial nivelul combustibilului
în camera de nivel, ceea ce provoacă o scurgere în surplus a lui prin tubul de
pulverizare a jiclerului principal şi amestecul carburant se îmbogăţeşte.
3.10.9 Dispozitive de îmbogăţirea amestecului la creşterea bruscă a sarcinii
Când motorul trece brusc de la turaţii mici la turaţii mari, se creează condiţii
de lucru mai grele pentru carburator, care în timp foarte scurt trebuie să asigure un
amestec de o compoziţie corespunzătoare noului regim.
Capacitatea motorului de a-şi mări brusc turaţia, fără a dăuna funcţionării lui
normale, prezintă o importanţă mare deoarece prin aceasta, motorul poate căpăta
mai repede o accelerare, se va adapta mai repede schimbării de regim şi va fi mai
bun în exploatare.
La deschiderea bruscă a paletei de amestec depresiunea în difuzor se măreşte
foarte mult. Aerul fiind mai uşor decât combustibilul, se adaptează mai repede noii
depresiuni create şi pătrunde imediat în cantităţi necesare, pe când combustibilul,
având inerţie mai mare, se adaptează mai greu.
De aceea, imediat după deschiderea bruscă a paletei, amestecul devine sărac
şi se înrăutăţesc condiţiile de ardere a amestecului, mai ales din cauză că motorul a
funcţionat la turaţii mici mai înainte şi regimul termic al lui a scăzut, şi oarecum
s-a răcit.
Toate acestea provoacă scăderea turaţiei arborelui cotit, funcţionarea
neregulată a motorului, au loc rateuri în carburator, care pot duce chiar la oprirea
114
lui. Pentru a evita funcţionarea anormală a motorului, când are loc o trecere rapidă
la turaţii mari, carburatoarele se prevăd cu o pompă de accelerare (fig.4.6), care
se compune dintr-un cilindru /, ce comunică printr-un canal în camera de nivel
constant şi un piston 2, ce se deplasează în cilindru.
Fig.3.43 Schema carburatorului cu pompă de accelerare[24]
La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, mişcarea se transmite prin
pârghii şi tijă (a placa de comandă 3 a pompei).
Arcul 4 acţionează asupra pistonului 2 al pompei, care coboară brusc.
Combustibilul de sub piston este împins prin supapa de refulare 6 şi prin jiclerul
pompei 7 în camera de amestec, sub forma unui jet puternic.
Totodată, sub presiunea combustibilului supapa de reţinere 5 se ridică şi
lansează locaşul ei încât combustibilul de sub piston nu poate să treacă înapoi în
camera plutitorului. Combustibilul suplimentar pulverizat prin jiclerul pompei 7,
favorizează îmbogăţirea amestecului, asigurând în felul acesta o bună repriză a
motorului.
3.10.10 Dispozitive care asigura îmbogăţirea amestecului la sarcina maximă
Carburatorul trebuie să asigure realizarea unei mari economii de combustibil
la sarcini medii, pe seama sărăcirii amestecului şi dezvoltarea unei puteri maxime
la sarcină mare, pe seama îmbogăţirii amestecului.
Aceasta se obţine fie prin schimbarea secţiunii jiclerului în timpul
funcţionarii motorului, metodă greoaie care cere multă atenţie şi dexteritate din
partea conducătorului, fie cu ajutorul dispozitivelor speciale care funcţionează
automat.
Un regim economic este necesar la sarcini medii şi mari, deoarece în această
condiţie motorul de automobil şi de tractor lucrează cea mai mare parte din timp.
În cazul când trebuie să obţinem o putere maximă spre a învinge creşterea sarcinii,
la carburator se deschide complet paleta de amestec, iar îmbogăţirea amestecului
o face economizorul.
Economizorul poate fi acţionat pe cale mecanică sau pe cale pneumatică.
Un economizor acţionat pneumatic este construit şi funcţionează astfel: în timpul
115
funcţionării motorului cu paleta de amestec IO, deschisa parţial (fig.3.44),
depresiunea puternică existentă dincolo de paleta de amestec se transmite prin
canalul 7 în spaţiul deasupra pistonului 4, a pompei de accelerare.
Fig.3.44. Schema carburatorului cu economizator acţionat pneumatic
Datorită depresiunii, pistonul 4 se ridică învingând rezistenţa arcului 3, iar
supapa economizorului 6 se închide, sub acţiunea arcului 8. Combustibilul din
camera plutitorului nu pătrunde la jiclerul de putere 9 şi acesta nu mai funcţionează.
Deoarece combustibilul vine la pulverizator (numai de la jicleru) principal
11, amestecul se sărăceşte. Când paleta de amestec se deschide, depresiunea dincolo
de ea şi deasupra pistonului se micşorează şi arcul 3 al tijei pistonului, se destinde
şi trage pistonul în jos.
Tija pistonului coborând deschide progresiv supapa economizorului 6, prin
care combustibilul pătrunde în jiclerul de putere 9 şi îmbogăţeşte amestecul,
motorul dezvoltă putere mare necesară pentru învingerea sarcinii maxime.
La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, economizorul înlocuieşte
rolul pompei de accelerare. Principiul de construcţie şi funcţionare a unui
economizor cu acţionare mecanică este reprezentat în figurat:3.45.
116
Fig.3.45 Schema carburatorului cu economizor acţionat mecanic
Combustibilul din camera de nivel constant I, alimentează prin jiclerul 2, tubul
principal de pulverizare 5 în aşa mod încât amestecul carburant care se formează este
puţin sărac, ceea ce asigură un maximum de economie de combustibil la sarcină
medie a motorului.
La creşterea sarcinii, pentru 8 se obţine puterea maximă a motorului, paleta de
acceleraţie 4 se deschide total şi prin pârghia S fixată pe axul paletei, acţionează
asupra tijei 6 a pistonului pompei de accelerare 7.
Aceasta coborând în jos deschide supapa de refulare şi combustibilul prin
jiclerul economizorului 9 şi prin tubul pulverizator 10 trece în camera de amestec.
Prin aceasta, amestecul se îmbogăţeşte mai mult sau mai puţin după cum va
fi deschisă şi paleta de acceleraţie care va comanda deplasarea pistonului 7 pe cursă
mai mare sau mai mică.
Compoziţia amestecului combustibil se determină prin calibrarea jiclerelor
2 şi 9 prin care combustibilul soseşte la camera de amestec în parale l
3.10.11 Alimentarea m.a.s. prin injecţie de benzină
Injecţia de benzina, cunoscută şi sub numele carburaţie mecanică, îşi are
începuturile între anii 1898-1901, când firma Deutz foloseşte pentru prima dată
instalaţi prin injectarea benzinei la motoarele de serie stabilite.
Sistemul este adoptat de constructorii de avioane, care îl aplică în 1906-1910,
la motoarele de avion Antoinelte şi Wrighl, iar apoi la motoarele Junkers.
În 1937 s-a construit prima motocicleta cu injecţie de benzină 51 injectoare
electromagnetice, în timp ce uzinele Daimler-Benz şi Auto-Union echipează câteva
automobile cu injecţie de benzină.
Injecţia de benzină se impune constructorilor motoarelor de automobile abia
în anii 1950, datorită rezultatelor obţinute de Mercedes-Benz cu MB 300 ŞL.
Deceniul anilor 70 aduce noutatea dotării autovehiculelor cu sisteme de
injecţie de benzină cu comandă electronică. Marile firme constructoare de
automobile Daimler-Benz, BMW, OPEL, PORSCHE, VW/AUDI, GM, CITROEN,
PEUGEOT, RENAULT, SAAB, VOLVO, JAGUAR, NISSAN, DATSUN, TOYOTA
realizează în serie automobile cu injecţie de benzină.
Răspândirea injecţiei de benzină a fost şi este "temporizată" de competiţia cu
carburatorul care implică preţuri de cost mai reduse.
Lansarea injecţiei de benzină se datorează noilor relaţii "om-natură-
automobil" şi necesităţii realizării (în condiţiile crizei de combustibil) unor
autovehicule mai economice.
117
3.10.12 Alimentarea cu combustibil a motorului diesel
De la rezervor până la interiorul cilindrului, motorina trece printr-o serie de
dispozitive şi aparate care au drept scop să o condiţioneze atât din punct de vedere al
purităţii (filtrare) cât şi al stării ei (pulverizare).[1,10,32,36]
Pompa de alimentare. Deşi la majoritatea tractoarelor cu motor Diesel rezervorul
este aşezat mai sus decât pompa de injecţie, motorina nu se transmite prin cădere, ci
printr-o pompă de alimentare.
Necesitatea pompei de alimentare este determinată de rezistenţa ce o întâmpină
motorina la trecerea ei prin filtre, mai ales când suprafaţa de filtrare a lor este îmbibată
cu impurităţi.
Pompele de alimentare pot fi de trei feluri: cu piston, cu roţi dinţate şi cu palete.
Cel mai răspândit este tipul de pompă cu piston.
În figura 3.46. este arătată schema pompei de alimentare cu piston a motoarelor
D110. În cilindru corpului pompei 8 se află un piston 10. În faţa pistonului este montat
arcul 17.
Corpul pompei este închis prin dopul filetat 3. În spatele pistonului este fixat
împingătorul cu rolă 13 ce se termină cu o tijă 16, care se sprijină în fundul pistonului.
Arcul 14 al tijei apasă permanent împingătorul cu rolă şi îl menţine în contact cu cama
22, care acţionează pompa. Cilindrul are două ventile: unul de aspiraţie 7 şi al doilea de
refulare 1, fiecare ventil este presat pe locaşul cu câte un arc. Arcul 17 este aşezat între
pistonul 10 şi dopul filetat 3, arcul împingătorului 14 între corpul rolei şi peretele
despărţitor al corpului pompei arcul ventilului de admisie, între ventil şi locaşul său iar
arcul ventilului de refulare, între ventil şi dopul filetat de închidere 19.
Funcţionarea pompei are loc în felul următor: sub acţiunea camei 22, a doua a
pompei de injecţie, împingătorul cu rota 13, prin tija 16, deplasarea pistonului 70, înainte.
Fig.3.46. Pompa de alimentare, cu piston.
118
Prin aceasta arcul 17 se comprimă şi combustibilul cuprins în spaţiul 4 de
deasupra pistonului este comprimat de asemenea.
Datorită presiunii ventilul de admisie 7, este apăsat pe locaşul său, iar ventilul de
refulare 1, se ridică de pe locaş permiţând trecerea combustibilului prin canalul 18,
în spaţiul 12, din spatele pistonului.
După ce cama 22 a trecut de sub împingătorul cu rolă 13, sub acţiunea arcului
17, pistonul 10 este deplasat înapoi, în spaţiul 4, deasupra lui se creează o depresiune,
ventilul de aspiraţie 7 se ridică de pe locaşul său şt combustibilul pătrunde în spaţiul
4.
Totodată în spaţiul 12 din spatele pistonului presiunea creşte şi combustibilul
este refulat prin canalul 18, către filtru. Spre a asigura funcţionarea motorului fără
întreruperi, pompa de alimentare este dimensionată astfel încât la orice regim debitează
o cantitate mai mare de combustibil decât cea necesara.
Dacă pistonul ar avea cursă constantă tot timpul, atunci la unele regimuri, cum
ar fi sarcină mică, pompa ar debita foarte mult combustibil, presiunea pe conducte ar
creşte puternic, ceea ce ar duce la spargerea lor.
Spre a evita asemenea situaţii cursa pistonului pompei variază în funcţie
de consumul de combustibil al motorului. Variaţia cursei pistonului se obţine în
felul următor: tija 16 a împingătorului cu rolă 13 nu este prinsă solidar de pistonul IO,
ci intră liber într-o degajare a lui.
Când consumul de combustibil este mic, în spaţiul 12 din spatele pistonului
presiunea creşte şi arcul 17 la deschiderea lui nu poate învinge presiunea creată în
spate, datorită cărui fapt cursa pistonului IO se micşorează, micşorându -se totodată şi
cantitatea de combustibil debitată spre filtru (fig. a, b a c). La creşterea consumului de
combustibil, pompa începe să debiteze combustibil mai mult, presiunea din spaţiul
12, din spatele pistonului scade, arcul 17 se deschide total şi pistonul 10 face cursa
completă.
Spre a evita pătrunderea combustibilului din pompă în carterul pompei de
injecţie, prin spaţiul (datorită jocului necesar) între tija împingătorului 16 şi
peretele corpului, în corpul pompei de alimentare este practicată o degajare 15 fără
legătură cu un canal de ieşire 11, prin care combustibilul prelins este evacuat în
exterior.
La pompa de alimentare este ataşată şi o pompă de mână cu ajutorul căreia
putem pompa combustibilul spre a elimina incluziunile de aer din organele sistemului
de alimentare de joasă presiune şi din canalele pompei de injecţie.
Pompa de mână este compusă din corpul cilindric 6, pistonul 25 cu tija 24 şi
mânerul 23. Legătura dintre cilindrul pompei de mână şi canalul de admisie a pompei
de alimentare, este făcută printr-un orificiu obturat cu ajutorul unei bile J.
După folosirea pompei de mână este necesar să aducem pistonul în poziţia de
jos încât el să preseze bila în locaşul său. Aceasta se asigură prin înşurubarea
mânerului 23 de corpul pompei.
119
3.10.13 Aparatura de injecţie şi pulverizarea combustibilului la motoarele diesel
A doua grupă de organe a sistemului de alimentare la motoarele Diesel,
constituie aparatura de injecţie sau de înaltă presiune, în această grupă sunt cuprinse;
pompa de injecţie, conductele de înaltă presiune şi injectorul. [8,27,29,36]
Pompa de injecţie are rolul de a debita sub o presiune mare la momente
precise, cantităţi strict determinate de combustibil în funcţie de sarcina motorului,
prin injector în camera de ardere a cilindrului.
Injectorul are rolul de a pulveriza combustibilul debitat de pompa de injecţie
şi al introduce în camera de ardere. Legăturile între pompa de injecţie şi injector se
face prin conducte de înaltă presiune.
Pentru ca motoarele Diesel să funcţioneze bine, este necesar ca arderea
combustibilului să decurgă normal şi la timp.
Desfăşurarea unei asemenea arderi a combustibilului, poate avea loc atunci
când debitarea lui se face la momente strict determinate. Dacă aceasta ar avea loc prea
devreme, când aerul din interiorul cilindrului nu este suficient comprimat, deci nu
are nici temperatura necesară aprinderii, atunci o parte din combustibil se va depune
pe pereţii cilindrului iar arderea va fi incompletă.
Motorul va funcţiona cu abundenţă de gaze arse şi va dezvolta o putere scăzută.
Dacă debitarea combustibilului va fi prea întârziată, atunci arderea va continua în
timpul detentei, se va face un schimb prea mare de căldură prin pereţii cilindrului,
motorul se va prea încălzi şi de asemenea va dezvolta o putere scăzută.
Din experimentări s-a constatat că introducerea combustibilului în interiorul
cilindrului trebuie să aibă loc cu 10-30° din rotaţie arborelui cotit, înainte ca pistonul
să ajungă la PME. Acest unghi se numeşte unghiul de avans la injecţie a
combustibilului, de către injector.
În afară de aceasta, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii, se impune ca în
camera de ardere a fiecărui cilindru să fie debitată aceeaşi cantitate de combustibil,
ceea ce se numeşte: uniformitatea debitării.
Numai prin îndeplinirea acestor condiţii e posibil să asigurăm formarea unui
amestec dintre aer şi combustibilul bun şi la momentul necesar, iar ca urmare motorul
va funcţiona cu desfăşurarea arderii în condiţii optime, va avea un consum de
combustibil scăzut şi va dezvolta puterea maximă.
3.10 14 Formarea amestecului carburant la motoarele diesel
La motoarele Diesel, modul de formare al amestecului se deosebeşte foarte
mult faţă de motoarele cu carburator. La motoarele cu carburator amestecul începe în
difuzor, se continuă pe conducte şi în cilindru, pe timpul admisiei şi compresiei.
Datorită calităţilor fizico-chimice superioare a combustibilelor uşoare şi perioadei de
timp relativ mare de producere a amestecului, acesta, către momentul aprinderii
120
prezintă un aspect destul de omogen. Datorită omogenităţii amestecului, oxigenul
din amestec este folosit la maximum, fapt care permite obţinerea unei puteri litrice
mari şi greutăţi specifice scăzute a motorului.
La motoarele Diesel, admiterea combustibilului în cilindru se face spre
sfârşitul compresiei, la poziţia pistonului foarte aproape de punctul mort superior,
fapt prin care se reduce foarte mult perioada de timp pentru pregătirea amestecului,
înseamnă că la motoarele Diesel, condiţiile de obţinere a amestecului (la aceeaşi
turaţie) sunt mai puţin favorabile. [8,27,29,36]
Dacă un motor face n rot/min sau 60
n rot/s atunci într-o secundă el parcurge
60
360n grade/s.
Însemnând durata injecţiei prin 0, atunci timpul cât durează injecţia la motoarele
Diesel va fi:
sn6n360
60
60
360nt
La motoarele cu carburator, durata formării amestecului reprezintă 300-320°
din rotaţia arborelui cotit, pe când la motoarele Diesel, durata injecţiei
combustibilului este de 15-35° din rotaţia arborelui cotit.
În baza formulei durata formării amestecului în secunde, la motoarele cu
carburator, tc şi la motoarele Diesel - td va fi:
s400
1
20006
30tiars
40
1
20006
300t
dc
Deci, la motoarele Diesel timpul cât durează debitarea
combustibilului, adică şi formarea amestecului, este de zece ori mai scurt decât la
motoarele cu carburator.
Pentru motorul D110, luând momentul de debitare a motorinei de pompa de
injecţie este egal cu 20°, turaţia motorului fund n = 1500 rot/min, durata injecţiei va fi:
s454
10022,0
9000
20
15006
20t
d
Timpul scurt şi condiţiile nefavorabile formării amestecului, creează situaţia
ca arderea combustibilului să fie incompletă. Pentru a remedia acest neajuns,
motoarele Diesel lucrează cu un coeficient de exces de aer ridicat.
Datorită acestui fapt, în interiorul cilindrului se găseşte o mare parte
evacuat în atmosferă, ceea ce atrage după sine micşorarea presiunii efective Pt, scăderea
puterii litrice şi creşterea greutăţi motorului.
121
Spre a obţine o ardere completă, la motoarele Diesel este necesar să se aducă în
contact intim combustibil şi aerul şi totodată să se obţină o viteză destul de mare a
particulelor de combustibil, spre a asigura amestecarea lor cu aerul comprimat. Pentru
realizarea acestor condiţii este necesar ca jeturile de combustibil ce pleacă din injector,
să străbată stratul de aer comprimat şi să ajungă către particulele cele mai îndepărtate
de aer din camera de ardere.
Totodată, combustibilul trebuie să fie fin pulverizat în vederea unei repartizări
uniforme a lui în masa de aer. La motoare cu autoaprindere amestecul poate fi format
prin următoarele metode:
- cu ajutorul aerului de pulverizare, comprimat în prealabil într-un compresor;
- pe cale mecanică, injectând combustibilul în cilindru cu ajutorul unui
injector, la o anumită presiune de injecţie.
3.10.15 Pompe de injecţie
Cu ajutorul pompei de injecţie se obţine debitarea şi distribuirea
combustibilului către injectoare sub presiune înaltă, la anumit timp şi în dosaj-cantitativ
strict. Pompele de injecţie folosite pe motoare Diesel au construcţii diferite însă
principiul de funcţionare este acelaşi şi anume: elementul de pompare se compune
dintr-un cilindru şi un piston. [8,27,29,36]
Tipurile cele mai răspândite de pompe de injecţie sunt caracterizate prin aceea
că au acţionarea mecanică, pompa fiind legată cu injectorul prin conducta de înaltă
presiune. Printre acestea sunt cunoscute pompele care au câte un element de pompare
pentru fiecare cilindru, în ultimul timp primesc o răspândire mare tipurile denumite
pompă-injector la care lipseşte conducta de înaltă presiune. Deasemenea, sunt utilizate
şi pompe de injecţie cu un singur element de pompare şi cu distribuitor rotativ.
Funcţionarea motorului Diesel se bazează pe autoaprinderea combustibilului
injectat şi pulverizat în cilindrii motorului în momentul în care aerul aspirat anterior
atinge, prin comprimarea de către pistonul cilindrului, o temperatură suficientă pentru
a se produce autoaprinderea.
Echipamentul de injecţie are rolul de a alimenta camera de ardere a
motorului cu combustibil, astfel încât arderea să corespundă în orice moment
regimului de funcţionare al motorului, determinat la rândul său de sarcina exterioară a
acestuia. Pentru ca funcţionarea motorului să fie corectă şi economică în acelaşi timp,
echipamentul de injecţie trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe, dintre care cele
mai importante sunt următoarele:
-să ridice presiunea combustibilului la o valoare determinată şi să îl
pulverizeze în camera de ardere, astfel încât amestecul de combustibil şi aer să fie cât
mai bun, iar arderea să fie cât mai completă;
-să înceapă injectarea combustibilului la un anumit moment şi să o termine într-
un timp bine stabilit;
- injectarea combustibilului să fie făcută corespunzător cu procedeul de ardere al
motorului în ceea ce priveşte poziţia şi forma jetului;
122
- să injecteze o cantitate de combustibil corespunzătoare în orice moment cu
sarcina motorului.
Echipamentul de injecţie al combustibilului este compus, în ordinea în care o
parcurge combustibilul, din următoarele:
-rezervorul de combustibil, pompa de alimentare, conductele de joasă presiune,
bateria de filtrare (un filtru de curăţare prealabilă şi un filtru final), pompa de injecţie
cu regulator, conductele de înaltă presiune, injectoare şi pulverizatoare.
3.10.16 Pompa de injecţie cu elemenţi în linie
Pompa de injecţie de mărimea A este o pompă cu pistonaşe în linie, cu arbore
cu came propriu şi prindere pe flanşă frontală având cursa pistonaşului
constantă şi cursa activă variabilă prin modificarea sfârşitului injecţiei. Pompa de
injecţie este antrenată de către arborele cu came propriu care primeşte mişcarea de
la arborele cotit al motorului prin intermediul unui angrenaj demultiplicator de turaţie
cu raportul de transmisie 1/2, astfel încât turaţia pompei este de 1/2 din turaţia
motorului.
Fiecare camă corespunde câte un element de pompare, ele fiind astfel decalate
încât să asigure ordinea de injecţie necesară. Arborele cu came se sprijină în corpul
pompei pe doi rulmenţi cu role conice . La capătul opus antrenării se montează
regulatorul de turaţie, antrenat la rândul său de arborele cu came. [8,27,29,36]
Pompa are toţi atâţia elemenţi de pompare câţi cilindri are motorul.
Funcţionarea lor este identică, fiecare element se compune dintr-un pistonaş care
glisează într-o bucşă( cilindru).
Jocul dintre bucşe şt pistonaş este foarte mic, astfel încât să se asigure
etanşitatea la presiuni ridicate. Pistonaşul este ridicat de cama respectivă de pe arborele
cu came prin intermediul unui împingător cu role , iar coborârea lui se face datorită
resortului elementului de pompare.
Pistonaşul are o construcţie specială, fiind prevăzut cu o rampă înclinată, prin
care se comandă sfârşitul cursei de refulare.
În partea inferioară a elementului se află un manşon care are posibilitatea de
antrenare pistonaşul într-o mişcare de rotaţie faţă de bucşă.
Această mişcare este imprimată de o cremalieră care angrenează cu un sector
dinţat 1 solidar cu manşonul. Printr-un sistem de pârghii, cremaliera este legată la
regulator, mişcarea ei fiind comandată de acesta.
În bucşa elementului este prevăzut un orificiu de alimentare care comunică cu
spaţiul de alimentare din capul pompei, unde combustibilul care este adus prin
intermediul pompei de alimentare.
La coborârea pistonaşului se face admisia combustibilului prin acest orificiu.
Cursa de ridicare a pistonaşului este cursa de refulare, dar nu întreaga cursă de
refulare este activă. Refularea are loc începând din momentul când pistonaşul
acoperă orificiul de alimentaţie din bucşă şi durează pană când muchia înclinată a
123
pistonaşului descoperă acest orificiu, punând în legătură camera de refulare de
deasupra pistonaşului cu spaţiul de alimentare. Prin rotirea pistonaşului sub acţiunea
cremalierei, se modifică momentul când rampa înclinată descoperă orificiul de
alimentare, obţinându-se o variaţie a sfârşitului cursei de refulare şi prin aceasta o
variaţie a debitului între un debit maxim şi un debit nul.
Bucşa elementului este închisă la partea ei superioară de o supapă de refulare
menţinută pe un sediu conic de către resortul . Deasupra supapei se află racordul de
refulare , care comunică prin intermediul conductei de înaltă presiune ca injectorul.
Etanşarea este asigurată de o garnitură , aflată între scaunul supapei şi
racordul de refulare. Supapa este deschisă de forţa de presiune a combustibilului
refulat, cursa ei fiind limitată.
În momentul în care rampa elicoidală descoperă orificiul de alimentare,
presiunea din camera de refulare de deasupra pistonului scade brusc, iar supapa de
refulare este adusă de resortul supapei pe sediul său. Ca urmare, refularea încetează.
Supapa de refulare are o construcţie specială, cu centură de descărcare,
aceasta fiind o porţiune cilindrică de mică înălţime, situată sub conul de etanşare al
supapei, înaintea aşezării supapei pe con, datorită acestei centuri de descărcare care este
etanşă în alezajul corpului supapei, în spaţiul de deasupra supapei se produce o detentă
rapidă, ceea ce duce la reducerea bruscă a presiunii în conducta de înaltă presiune şi
deci la oprirea bruscă a injecţiei.
Pentru a împiedica bucşa elementului să se rotească în timpul funcţionării,
ceea ce ar produce dereglarea pompei de injecţie, se utilizează un ştift, presat în corpul
pompei, astfel încât să pătrundă într-o crestătură specială din bucşa. Deasupra acestui
ştift se găseşte dopul deflector .
Fig: 3.47. Reglajul debitului prin rotirea pistonaşului în jurul axei
3.10.17 Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ
124
Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ, cu regulator mecanic pentru toate
regimurile se poate adapta perfect motoarelor diesel cu cilindreea pană la maximum 2
l/cilindru. Pomparea motorinei la presiunea de injecţie este realizată cu ajutorul a două
pistonaşe plonjoare opuse, ce alunecă cu un ajustaj de mare precizie, într-un rotor
central care are şi roiul de distribuitor.
Rotorul este antrenat de axul pompei de injecţie. Pompa este prevăzută cu
un regulator mecanic centrifugal cu ajutorul căruia se obţine reglarea turaţiilor
motorului la toate regimurile de turaţie şi sarcină şi cu un dispozitiv automat de
reglaj al începutului injecţiei în corespondenţa cu turaţia motorului. [8,27,29,36]
Deplasarea pistoanelor plonjoare se face prin intermediul unor role sub efectul
lichidului sub presiune din interiorul pompei şi a camelor din exterior.
Inelul cu came montat în interiorul corpului pompei are numărul perechilor de
came egal cu numărul cilindrilor motorului.
Presiunea motorinei împinge pistoanele plonjoare spre exterior, iar trecerea
acestora peste came le apropie şi realizează astfel refularea motorinei.
Fig. 3.48. Principiul de funcţionare: a-admisie, b- refulare
Circuitul complet al combustibilului este prezentat în figura 3.48.
Combustibilul este aspirat din rezervor cu ajutorul unei pompe de alimentare, trece
printr-o instalaţie de filtrare şi apoi intră printr-o supapă de reglare în pompa de
injecţie. În continuare, o pompă de transfer cu palete, montată în capătul rotorului,
ridică presiunea combustibilului şi îl trimite printr-o supapă de dozaj acţionată de
regulator sau de pârghia de acceleraţie spre capul, hidraulic.
Supapa de dozaj este aceea care determină cantitatea de combustibil trimisă
spre pistonaşe. Lichidul ajuns la pistonaşe le îndepărtează unul de altul, în acest fel
cursa lor este determinata de volumul de combustibil dozat, volum ce variază în
funcţie de poziţia supapei de dozaj.
Cantitatea maximă de motorină injectată are loc în timpul cursei maxime a
pistonaşelor. Profilul camei este astfel proiectat încât la sfârşitul injecţiei să aibă loc o
cădere de presiune prin care să se asigure descărcarea conductei de înaltă presiune.
125
Fig.3.49. Sistemul de alimentare cu combustibil cu pompă DPA
3.10.18 Injectorul
Injectorul are rolul de a introduce combustibilul în camera de ardere laminorului,
sub presiune înaltă, în stare nepulverizată şi de a dirija jetul de combustibil astfel încât
să se producă amestecarea lui cu toată masa de aer comprimat. [8,27,29,36]
Pentru a pulveriza combustibilul, el este trecut printr-un orificiu mic (denumit
duză) şi cu cât viteza lui de scurgere este mai mare, cu atât pulverizarea este mai
puternică. Dacă presiunea creşte progresiv la începutul injecţiei şi scade de asemenea
progresiv către sfârşitul injecţiei, atunci pulverizarea va fi mai slabă la începutul şi
sfârşitul injecţiei, iar particulele de combustibil vor fi mai mari.
Particulele mari se amestecă mai slab cu aerul, arderea lor se face mai greu şi
funcţionarea motorului este defectuoasă.
Pentru ca pulverizarea să se facă bine atât la început cât şi la sfârşitul injecţiei
este necesar ca injecţia să fie făcută la o presiune ridicată şi să se producă brusc.
Un injector se compune din corpul injectorului şi pulverizatorul.
După felul cum este realizat pulverizatorul injectoarelor se deosebesc două
tipuri: injectoare deschise şi injectoare închise.
Deosebirea injectorulului închis faţă de injectorul deschis constă în aceea că el
e prevăzut cu un organ special, ac de închidere, care prin poziţia lui întrerupe legătura
dintre conducta de înaltă presiune şi camera de ardere a cilindrului. Această legătură
poate fi stabilită numai prin ridicarea acului.
După felul cum este realizată deplasarea acului, din locaşul său. injectoarele
închise pot fi categorisite în două tipuri:
126
- automate, cu acţionare hidraulică, obţinută prin presiunea
combustibilului, sub acţiunea elementului de pompare a pompei de injecţie;
- cu acţionare mecanică, de la un organ mobil al motorului. Asemenea
injectoare se numesc comandate.
Primul tip, adică injectorul închis cu acţionare hidraulică a acului este cel mai
răspândit. După felul formarii amestecului, injectoarele se construiesc cu unul sau
mai multe orificii de pulverizator.
Fig.3.50. Diferite forme ale vârfului la acul injectoarelor
a- cu ştift; b- plat; c- conic
La motoarele cu injecţie directă şi la cele cu dispoziţie centrală a injectorului
pe camera de ardere, la pulverizator se practică 3-6 orificii dispuse radial, iar la
motoarele cu antecameră sau cu cameră de turbionare, de regulă pulverizatorul are un
singur orificiu.
Injectoarele cu un singur orificiu pot avea acul obturator cu ştift sau fără ştift.
Injectoarele cu ştift se numesc acele la care vârful acului are o prelungire de formă
tronconică 1 numită ştift, Ştiftul pătrunde în orificiul de pulverizare şi prin conul de
etanşate 2 închide orificiul (fig.3.50.poz. a).
Datorită ştiftului, la aceste injectoare e posibil să se obţină un con de injecţie
până la 30° şi să se influenţeze asupra caracterului procesului injecţiei atât în privinţa
deschiderii conului de pulverizare cât şi a regimului de creştere a presiunii în timpul
injecţiei. Injectoarele fără ştift au vârful plat sau conic ascuţit (fig. 3.50.poz. b şi c).
Injectoarele cu mai multe orificii în pulverizator se construiesc cu acul fără
ştift, în majoritatea cazurilor cu vârful conic ascuţit.
3.10.19 Regulatoare de turaţie
Regulatoarele de toate regimurile sau universale asigură o funcţionare
stabilă a motorului la orice regim, după dorinţa conducătorului, în limitele turaţiei de
lucru ale molarelor.
Turaţia la care motorul dezvoltă puterea garantată de uzina constructoare,
constituie regimul dinamic de bază şi se numeşte turaţia normală sau nominală a
motorului.
127
Astfel, turaţia normală a arborelui cotit la motorul D110 a tractoarelor U-650 şi
U-651 este de 1800 rot/min.
La mers în gol pe regulator, turaţia arborelui cotit creşte cu 5-8% faţă de turaţia
normală. Această turaţie constituie regimul de mers în gol fără sarcină şi se numeşte
turaţia maximă la mers în gol.
Dacă acul regulatorului se tensionează slab de tot (la limita posibilă), atunci
turaţia de regim stabilită se numeşte turaţia minimă la mers în gol.
Cu ajutorul regulatorului de toate regimurile, tractoristul sau conducătorul
maşinii are posibilitatea să stabilească între limitele arătate mai sus, orice regim
dinamic. Datorită acestui fapt rezultă următoarele avantaje:
- conducerea maşinii se face în condiţii mai bune;
- creşte productivitatea agregatelor prin reducerea opririlor în vederea
schimbării vitezelor de deplasare mai ales în timpul manevrărilor;
- tractorul poate avea viteza corespunzătoare la trecerea peste porţiuni de
teren neregulat sau peste obstacole;
- se reduce consumul de combustibil când tractorul lucrează sub sarcina
normală.
Primele trei avantaje se obţin datorită faptului că viteza de deplasare a
tractorului poate fi schimbată cu ajutorul regulatorului fără a oprii tractorul pentru
schimbarea vitezelor. La funcţionarea tractorului sub sarcină normală, de obicei la
transportul maşinilor de la o parcelă la alta, este necesar ca tractorul să se deplaseze
cu viteze mai reduse spre a nu deteriora maşina.
Această viteză redusă poate fi obţinută în treapta I, motorul lucrând la turaţie
normală, pe regim dinamic de bază. Însă aceeaşi viteză o putem obţine în treapta
mai înaltă, de exemplu II sau III, dar la turaţie redusă a motorului. La aceeaşi sarcină
a motorului însă la turaţie diferită consumul de combustibil de asemenea este diferit.
El este mai mic la turaţie mai mică, deplasându-se deci în treapta de viteză
mai mare, dar la turaţie redusă a motorului, consumul de combustibil va fi mai mic.
Vitezele cele mai convenabile de deplasare, folosind posibilităţile
regulatorului de turaţie universal se poate alege în timpul diferitelor lucrări agricole
şi mai ales a celor uşoare ca: grăpat, tăvălugit, când nu putem folosi puterea totală a
motorului prin formarea agregatelor cu lăţime mare de lucru.
În afară de creşterea productivităţii, nu se forţează prea puternic motorul,
încât durata lui de funcţionare poate fi prelungită şi pe această cale.
Astăzi, pe tractoarele folosite în agricultură, indiferent de tipul şi mărimea
lor, se folosesc regulatoare de turaţie universale.
3.11 Sistemul de aprindere
Sistemul de aprindere al motorului are rolul de a asigura aprinderea
amestecului carburant în interiorul cilindrilor, la momentul necesar.
La motoarele cu ardere internă aprinderea amestecului carburant se realizează
în mai multe feluri, fapt care caracterizează şi tipul motorului.
128
Aprinderea prin scânteie electrică se realizează la motorele cu carburator.
Amestecul carburant pregătit în carburator şi introdus în interiorul cilindrilor este
comprimat slab şi spre sfârşitul compresiei este aprins cu ajutorul unei scântei
electrice produse între electrozii unei bujii.
Pentru obţinerea scânteilor electrice în cilindrii motorului este necesar să
avem o sursă de curent electric şi o instalaţie de transformare şi distribuire a
curentului.
Aprinderea prin compresie sau autoaprinderea se realizează la motoarele
Diesel, la care combustibilul injectat în masa de aer puternic încălzit, se autoaprinde
şi arde.
Aprinderea prin catalizator sau cap incadescent (cap de aprindere), se
realizează la motoarele cu catalizator. La pornire, capul de aprindere se încălzeşte
până la roşu deschis din exterior cu ajutorul unei lămpi de benzină de compresie,
combustibilul este pulverizat în interiorul cilindrului pe pereţii catalizatorului
încălzit, se vaporizează brusc, se aprinde şi arde.
3.11.1 Aprinderea prin scânteie electrică
În timpul funcţionării motorului cu carburator, la sfârşitul compresiei în
cilindri, presiunea amestecului este destul de ridicată (cca. 12-14 kgf/cm2).
Deoarece gazele în general se consideră ca izolante, pentru a se obţine între
electrozii bujiei o scânteie electrică puternică, încât să asigure aprinderea amestecului
carburant, este necesar ca sistemul de aprindere să răspundă următoarelor cerinţe:
- obţinerea unui curent de înaltă tensiune în vederea formării unei scântei
puternice în masa amestecului carburant comprimat;
- formarea scânteii în cilindru în care trebuie să fie aprins amestecul
carburant potrivit succesiunii de lucru;
- posibilitatea schimbării momentului producerii scânteii în cilindru
respectiv, în funcţie de regimul de lucru al motorului, felul combustibilului şi
amestecului.
Mărimea tensiunii curentului depinde în primul rând de gradul de compresie al
motorului şi de distanţa între electrozii bujiei.
Cu cât gradul da compresie este mai mare şi cu atât distanţa între electrozi este
mai mare, cu atât trebuie să fie mai înaltă tensiunea curentului adus de electrozi.
Deasemenea, valoarea tensiunii de străpungere a scânteii este influenţată de felul şi
calitatea amestecului carburant, de temperatura electrozilor bujiei.
Cu cât amestecul se aprinde şi arde mai uşor, cu atât tensiunea curentului poate
fi mai mică. Deoarece la regim normal de lucru, motoarele funcţionează pe amestec
economic (puţin însărăcit), aprinderea acestuia devine mai grea, din care cauză e
necesară menţinerea unei tensiuni ridicate.
Temperatura ridicată a motorului şi a electrozilor bujiei prezintă condiţii
favorabile de aprindere a amestecului cu ajutorul unei scântei de tensiune mai joasă.
Cum însă regimul termic al motorului variază, în special motorul are temperatura
129
scăzută la pornire şi la mers în gol în timpul opririlor maşinii, pentru asigurarea
funcţionării continue, fără întreruperi a motorului, tensiunea curentului trebuie
menţinută la valoare ridicată.
Normal se consideră necesară tensiunea de 12000 -15000 V. Spre a asigura
funcţionarea bună şi continuă a sistemului de aprindere, pe motor se folosesc
instalaţii care elaborează curent electric de joasă tensiune, care se transformă în curent
de înaltă tensiune apoi se distribuie la bujii, conform succesiunii de lucru a cilindrilor
şi la timpii strict necesar.
3.11.2 Momentul aprinderii şi avansul la aprindere
O importanţă deosebită pentru funcţionarea bună a motorului de automobil sau
tractor prezintă momentul cel mai corespunzător al aprinderii amestecului carburant.
[8,27,29,36]
Teoretic, la studiul ciclului de funcţionare al motorului cu carburator, s-a
presupus că aprinderea amestecului carburant are loc în momentul când pistonul în
faza de compresie a ajuns la PME.
Practic, în funcţie de regimul de lucru al motorului, aprinderea amestecului
carburant poate fi făcută mai târziu sau mai devreme, însă fiecărui regim de lucru îi
corespunde un anumit moment, numit moment optim de aprindere.
Dacă aprinderea se va face întârziat, la sfârşitul cursei de compresie când
pistonul a ajuns la PME, atunci arderea amestecului se va termina după ce pistonul
va pleca de la PME şi va parcurge o parte din cursa lui.
Înseamnă că arderea se va desfăşura într-un volum mai mare decât
volumul camerei de compresie Vc presiunea gazelor arse asupra pistonului va fi
slabă, iar temperatura lor va fi ridicată.
Deoarece are loc într-un volum mare, se va face un schimb mai intens de
căldură prin pereţii cilindrului. Ca rezultat puterea dezvoltată de motor va fi mai mică.
Aceasta se evidenţiază prin aceea ca suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică
decât în cazul unei aprinderi şi arderi normale, în care sunt prezentate suprapus cele
două diagrame indicate, cu aprindere întârziată (curba plină) şi cu aprindere normală
(curba punctată fig. 3.51).
130
Fig.3.51. Deformarea diagramei indicată prin momentul aprinderii
necorspunzătoare a- aprindere întârziată; b- aprindere cu avans prea
mare[29,36]
În afară de scăderea puterii motorului şi a supraîncălzirii lui, are loc şi un
consum ridicat de combustibil, deci motorul lucrează neeconomic. Pentru a
preîntâmpina aceste neajunsuri, aprinderea amestecului combustibil se face mai
înainte ca pistonul să ajungă la PME în faza compresie.
Avansul la aprindere este necesar pentru a putea permite desfăşurarea
procesului de ardere astfel încât el să fie la intensitate maximă când pistonul ajunge
la PME.
În acest caz efectul presiunii gazelor asupra pistonului va fi maxim, motorul va
dezvolta puterea corespunzătoare şi va avea consum de combustibil redus. Un
asemenea moment de aprindere când arderea amestecului carburant se termină la
sosirea pistonului în PME se numeşte moment normal de aprindere.
Pentru regimul normal de funcţionare a motorului, acest moment se numeşte
moment optim de aprindere.
Dacă aprinderea are toc prea devreme, adică la un avans prea mare, de asemenea
motorul nu poate funcţiona bine. Puterea motorului scade pe motivul că o parte din ea
se consumă pentru învingerea rezistenţei mărite datorită presiunii gazelor arse la
sfârşitul compresiei când pistonul încă se deplasează către PME.
Şi în acest caz arderea are loc într-un volum mai mare decât volumul camerei de
compresie, schimbul de căldură prin pereţii cilindrului este mai intens, se măreşte
consumul de combustibil.
Şi în acest caz suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică şi caracteristic
acestei situaţii, va prezenta o buclă formată la vârf.
Dacă aprinderea s-a făcut cu avans prea mare, presiunea gazelor arse dă un
impuls pistonului în sens invers prea puternic şi poate provoca defectarea
motorului, în general avansul mărit se observă prin funcţionarea motorului cu
zgomot şi lovituri cu sunet metalic.
131
Rezultă, că atât aprinderea întârziată cât şi un avans prea mare duc la scăderea
puterii motorului şi a randamentului său.
Condiţii mai rele de funcţionare apar când momentul aprinderii este întârziat.
Din aceste motive, în majoritatea condiţiilor de lucru, motorul funcţionează cu avans
Ia aprindere, însă mărimea avansului nu este fixă, ci variabilă. Avansul la aprindere
se exprimă în grade din rotaţia arborelui cotit. Valoarea lui poate să varieze de la 0°
până la 30°. Valoarea corespunzătoare a avansului la aprindere depinde de următorii
factori: de turaţia motorului, de temperatura si presiunea amestecului carburant în
momentul aprinderii (adică de gradul de compresie), de mărimea sarcinii, de felul
combustibilului folosit şi de calitatea amestecului carburant format de motor.
Cu cât turaţia de funcţionare a motorului este mai mare, cu atât durata fiecărei
faze a ciclului se scurtează. Pentru a asigura o ardere mai bună e necesar ca
aprinderea să se facă mai devreme, adică avansul ta aprindere trebuie să fie mai mare.
La creşterea sarcinii, avansul la aprindere trebuie să fie mai mic. Pe măsură ce sarcina
creşte, turaţia motorului scade si pentru învingerea ei se admite un amestec carburant
mai bogat, de aceea avansul Ia aprindere se reduce. Pe măsură ce amestecul devine mai
sărac avansul la aprindere trebuie mărit.
La pornirea motorului, când el este rece şi se admite un amestec bogat în
interior, avansul la aprindere se reduce total- în caz contrar, turaţia motorului fiind
mică, volanta neavând o rezervă de energie cinetică nu va putea învinge rezistenţele
apărute înainte de PME şi arborele cotit poate primi un impuls invers.
Aceasta, în multe cazuri poate produce condiţii periculoase pentru conducător,
mai ales dacă pornirea se face cu manivelă care nu este ţinută corect. Pe motoarele
actuale, valoarea avansul la aprindere variază între 8-30°, cel mai mult fiind întâlnit între
15°- 27°.
3.11.3 Sisteme de aprindere folosite pe motoare de autovehicule
La tractoare şi automobile se folosesc două feluri de sisteme de aprindere prin
scânteie electrică:
- sistem de aprindere cu baterie şi transformator;
- sistem de aprindere cu magnetou.
Sistemul de aprindere cu baterie şi transformator, are drept sursă primară de
curent o baterie de acumulatori, o bobină de inducţie unde curentul de joasă tensiune
se transformă în curent de înaltă tensiune, care se distribuie la bujiile
cilindrilor.[1,21,27,33,36]
Bateria de acumulatori este necesară în afara sistemului de aprindere pentru
alimentarea cu curent a celorlalţi consumatori. Sistemul de aprindere cu magnetou se
caracterizează prin aceea că este mai simplu ca instalaţie.
El este folosit în mai mare măsură pe tractor. Curentul de joasa tensiune este
produs de magnetou şi tot acolo este transformat în curent de înaltă tensiune, de
unde se distribuie la bujii.
132
3.11.3.1 Schema principală a sistemului de aprindere pe baterie şi transformator
Sistemul de aprindere se compune din două circuite: primar - de joasă tensiune şi
secundar- de înaltă tensiune.
În cilindrul primar intră (fig. 3.52):
- sursa de curent electric - bateria de acumulatori 1, care furnizează
curent continuu de joasă tensiune;
- bobinajul primar 2 a bobinei de inducţie format din spire puţine şi
de secţiune groasă;
- ruptorul 3 - care este un dispozitiv cu ajutorul căruia periodic se
întrerupe şi apoi se închide circuitul primar; acesta asigură scurgerea unui
curent variabil ca mărime prin circuit;
- condensatorul 4, cu ajutorul căruia se amplifică foarte mult variaţia
fluxului magnetic şi se exclude producerea de scânteie între contactele
raptorului;
- contactul 5, cu ajutorul căruia conducătorul maşinii poate întrerupe
circuitul, deci opri funcţionarea sistemului de aprindere.
Fig.3.52 Schema sistemului de aprindere pe baterie şi transformator
În circuitul secundar intră:
- bobinajul secundar 6 a bobinei de inducţie, în care prin inducţie se
produce curentul de înaltă tensiune; el e format din spire multe şi de secţiune
subţire;
- distribuitorul 7, care stabileşte legătura dintre bobinajul secundar şi
contactul corespunzător bujiei în care trebuie să se producă scânteia electrică
de înaltă tensiune;
- fişele, prin care este condus curentul de înaltă tensiune de la distribuitor la
bujii;
- bujiile 8, între electrozii cărora se produc scânteile electrice, care
aprind amestecul carburant, comprimat în interiorul cilindrilor.
133
Toate organele componente atât în circuitul primar cât şi în cel secundar, sunt
legate între ele prin conductori izolaţi. La sistemul de aprindere, se foloseşte un
singur conductor, iar în locul conductorului al doilea servesc organele metalice ale
motorului şi maşinii-masa.
Funcţionarea sistemului de aprindere pe baterie şi transformator este
următoarea:
Bateria de acumulatori 1, de la o bornă a ei se leagă printr-un
conductor la masă, iar de la borna a doua, prin alt conductor, la borna laterală de intrare
a bobinajului primar.
Când contactul 5 este închis, curentul din bateria de acumulatori trece în
bobinajul primar 2 a bobinei de inducţie, apoi prin contactele închise ale ruptorului 3,
la masă şi îndărăt la baterie.
Curentul care trece prin circuitul primar este de joasă tensiune (tensiunea
bateriei). El creează un câmp magnetic ale cărui linii de forţă străbat spirele
bobinajului primar şi ale celui secundar.
Spre a obţine curent de înaltă tensiune în bobinajul secundar al bobinei de
inducţie, câmpul magnetic creat trebuie să fie variabil. Variabilitatea câmpului
magnetic produs de curentul din circuitul primar se produce prin întreruperea şi
închiderea periodică a circuitului primar.
Acest scop serveşte ruptorul 3, care prin rotirea unei came, îndepărtează
contactul mobil numit ciocănel, de contactul fix numit nicovala. La întreruperea
contactelor curentul din circuitul primar dispare şi o dată cu el dispare şi câmpul
magnetic.
Datorită variaţiei fluxului magnetic, în bobinajul secundar care este format
dintr-un număr mai mare de spire, se induce un curent de înaltă tensiune. Acest
curent, adus prin distribuitorul 7 şi prin fişe la bujiile 8, închide circuitul prin
străpungerea spaţiului între electrozii fiecărei bujii, descărcându-se sub forma de
scântei electrice, care aprind amestecul carburant.
3.11.4 Construcţia dispozitivelor şi organelor sistemului de aprindere pe
baterie
3.11.4.1 Bateria de acumulatori Acumulatorul este un dispozitiv care poate înmagazina sub formă chimică,
energia electrică produsă de o sursă de curent electric continuu, pe timp limitat, prin
încărcare.
El poate restitui energia electrică în măsura necesităţilor de consum, prin
descărcare, tot sub formă de curent continuu. [1,21,27,33,36]
Acumulatorii electrici după construcţia lor pot fi cu cadmiu-nichel sau fero-
nichel şi ca electrolit cu o bază, şi acumulatori cu plumb şi ca electrolit cu acid. Pe
tractoare şi automobile se folosesc acumulatori electrici cu plumb.
134
Mai mulţi acumulatori legaţi în serie formează o baterie de acumulatori. Un
acumulator elementar este format dintr-un vas de sticlă sau material din masă plastică
1 rezistent la acţiunea acizilor şi rău conducător de electricitate, în care se toarnă o
soluţie de acid sulfuric chimic pur şi apă distilată, numită electrolit. Proporţia de acid
sulfuric este de 25%. în vasul cu electrolit se cufundă doi electrozi formaţi din două
plăci de plumb, placă pozitivă 2 şi negativă 3.
Capetele plăcilor formează bornele acumulatorului .
Procesul fizico-chimic decurge în felul următor. Dacă împreunăm capetele
plăcilor (bornele) cu polii unei surse de curent continuu, se va observa că suprafaţa
plăcii legate cu polul pozitiv (+) a sursei de curent, începe să se schimbe. Pe ea se
formează un strat de culoare roşiatică închisă de peroxid de plumb (PbO,) ca rezultat
al elaborării de oxigen de către curentul electric, la acest pol (fig.3.53. a şi b).
Fig.3.53. Schema reacţiilor în bateria de acumulator:
A şi b – la încărcare; c şi d la descărcare[33,36]
Pe placa legată cu polul negativ (-), în urma faptului că este atacată de acidul
sulfuric se formează hidrogen, iar placa devine de felul unui plumb spongios. Deci,
după un anumit timp de acţiune a curentului electric, rezultă două plăci cu suprafeţe
deosebite; placa pozitivă cu peroxid de plumb (PbO.) şi placa negativă cu plumb
spongios (Pb).
Reacţiile care au avut loc datorită curentului electric sunt:
- Pe placa pozitivă:
Pb + 2 SO4H2 + 2O = PbSO4 + SO4 + 2 H2O =PbO2 + 2 SO4H2
- Pe placa negativă:
Pb + SO4H2 = PbSO4 + 2 H = Pb + S O4H2.
Curentul electric folosit de la sursă, datorită căruia au avut loc aceste procese
chimice se numeşte curent de încărcare.
Starea în care plăcile sunt din peroxid de plumb şi plumb spongios, iar
electrolitru) este de concentraţie maximă admisibil, se numeşte stare încărcată,
avem un acumulator încărcat.
135
Curentul electric pe care-l poate debita acumulatorul se numeşte curent de
descărcare. În timpul descărcării, acidul sulfuric se descompune în ioni de (SO4) şi
(H2).
Hidrogenul merge la placa pozitivă de la care ia oxigenul din peroxid de
plumb şi formează apa, iar plumbul se combină cu sulfatul dând sulfatul de plumb.
Sulfatul împreuna cu plumbul de la placa negativă dă sulfatul de plumb. O dată cu
aceasta electrolitul se diluează, densitatea lui scade (fîg.5.3. d).
Reacţiile chimice care au loc în timpul descărcării sunt:
Pe placa pozitivă:
PbO2 + SO4H2 + H2 = SO4Pb + SO4 + 2 H2O
Pe placa pozitivă:
Pb + S04 = SO4Pb.
După terminarea descărcării, acumulatorul poate fi iarăşi încărcat şi aceste
operaţiuni se repeta de mai multe ori.
După mai multe încercări şi descărcări se poate constata că acumulatorul
poate înmagazina o cantitate mai mare de energie electrică şi apoi să o cedeze la
descărcare. Acest proces se numeşte: formarea acumulatorului. Aceasta se explică
prin faptul că, prin încercări repetate se formează o cantitate mai mare de peroxid
de plumb pe placa pozitivă şi plumb spongios pe placa negativă, adică se măreşte
masa activă a electrozilor, iar acumulatorul are o capacitate mai mare de
înmagazinare a energiei electrice.
Celule grătarului se umplu cu o pastă preparată din litargă (PbO) si miniu de
plumb (Pb3O4) sau de cele mai multe ori din praf de plumb ce se oxidează în timpul
măcinării, care se amestecă cu acid sulfuric. După uscare, plăcile sunt cufundate în
electrolit şi acumulatorul e supus formării prin legare la un generator de curent
continuu. Una dintre plăci se leagă la peria pozitivă (+) iar cealălaltă la peria negativă
(-).
Sub acţiunea curentului electric debitat de generator, pe placa pozitivă se
formează peroxidul de plumb (PbO2) de culoare brună, iar pe placa negativă se
formează plumbul spongios (Pb), de culoare cenuşiu închis.
Astfel pregătite plăcile au o constituţie poroasă şi electrolitul se îmbibă în
porii plăcilor, în această stare acumulatorul este încărcat şi poate fi folosit prin
legare în circuit electric cu diferiţi consumatori, când el furnizează curentul
electric de descărcare.
3.11.4.2 Tensiunea şi capacitatea acumulatorului
Un element de acumulator, independent de mărimea plăcilor, în stare
încărcată are o tensiune de aproape 2,5-2,7 V, care la începerea descărcării scade şi
se menţine la tensiunea de 2 V. La descărcarea completă tensiunea scade până la 1,8
V. [1,21,27,33,36]
136
Prin capacitatea acumulatorului se înţelege cantitatea de electricitate pe care o
dă un acumulator bine încărcat, la descărcarea lui cu un curent de intensitate
constantă, până la tensiunea limită, indicată de uzină.
Capacitatea acumulatorului se exprimă în (A.h.) amperi-ore. Ea este egală cu
produsul dintre intensitatea curentului de descărcare, măsurată în amperi şi timpul în
ore, în care acumulatorul se descarcă la intensitatea respectivă. De exemplu, dacă un
acumulator arc o capacitate de 60 A.h. atunci el poate debita timp de 20 ore, un curent
constant de 3 A.
Capacitatea acumulatorului depinde de mărimea plăcilor şi de numărul lor.
Pentru a mări capacitatea fără a mări prea mult dimensiunile acumulatorului, se iau
mai multe plăci pozitive şi negative. Toate plăcile pozitive se leagă între ele în paralel,
la fel şi plăcile negative.
În vederea reducerii rezistenţei interioare a acumulatorului, distanţa între
plăci se ia minim posibilă.
Capacitatea nominală a unei baterii se numeşte capacitatea indicată şi
garantată de uzina, în condiţiile respectării prescripţiilor de folosire şi întreţinere.
3.11.5 Bobina de inducţie
Bobina de inducţie este organul din sistemul de aprindere cu ajutorul căruia
se transformă curentul de joasă tensiune (6,12 sau 24 V) şi intensitatea relativ mare
(2-6 A) în curent de înaltă tensiune (10 000 - 25 000 V) şi intensitate mică (0,5
miliamperi).
Din punct de vedere electrotehnic, bobina de inducţie este un transformator.
Ea este compusă dintr-un miez de oţel moale format din tole subţiri de 0,4 mm,
acoperite cu un strat de material izolant spre a împiedica formarea curenţilor
turbionari.
Miezul este îmbrăcat într-un tub de carton 6, peste care este înfăşurat bobinajul
secundar8, format din 16 000-23 000 de spire din sârmă de cupru, cu diametrul de
0,07-0,1 mm, izolată cu email. Înfăşurarea este făcută în mai multe straturi izolate de
asemenea între ele prin benzi de hârtie parafinată. Primele şi ultimele spire ale
bobinajului au izolaţie mai puternică şi sunt distanţate la 1-1,5 mm, în scopul
protejării izolaţiei contra străpungerii.
Deasupra înfăşurării secundare este îmbrăcat tubul de carton, peste care este
înfăşurat bobinajul primar7, compus din 230-330 spire din sârmă de cupru, cu
diametrul de 0,8 mm, izolată cu email. Bobinajul primar este înfăşurat deasupra cu
hârtie parafinată peste care se înfăşoară câteva foi din tablă de oţel de transformator.
Capetele bobinajului primar sunt scoase afară la două borne laterale . Un
capăt al bobinajului secundar este legat la bobinajul primar şi prin aceasta la
masă, iar al doilea capăt este adus la borna centrală a capacului , făcut din
carbolit.
Miezul de fier cu bobinajele pe el, se montează pe izolatorul 11 şi totul se
îmbracă cu mantaua metalică , iar spaţiile rămase goale în interior se umplu cu
137
rubrax topit - material electroizolant pe baza de bitum, care se solidifică foarte
repede.
La un motor policilindric când turaţia se măreşte, întreruperea contactelor
ruptorului se face atât de des, încât curentul în bobinajul primar nu reuşeşte să
atingă valoarea necesară. Datorită acestui fapt câmpul magnetic în jurul
bobinajului primar şi corespunzător tensiunea în bobinajul secundar, se
micşorează.
Acest neajuns se poate remedia dacă se va face bobinaj primar cu rezistenţă
mică, însă el se va încălzi puternic când motorul are turaţie mică şi contactele sunt
închise pe o durată de timp mai mare. Spre a reduce rezistenţa circuitului primar
când turaţia motorului creşte, unele bobine de inducţie au legat la circuitul primar,
în serie, o rezistenţa suplimentară numită variator.
Variatorul este făcut din material a cărui rezistenţă creşte foarte mult când
acesta se încălzeşte. Deci, când motorul are turaţie mică variatorul se încălzeşte mai
puternic şi creşte rezistenţa circuitului primar şi invers, când turaţia motorului creşte,
iar contactele ruptorului rămân închise pe durată de timp foarte scurtă, curentul în
circuitul primar este mic şi variatorul se încălzeşte puţin, iar ca rezultat rezistenţa
circuitului primar este mică.
Variatorul se face sub formă de spirala din oţel , montată peste rândul
superior al bobinei, pe un suport de metal izolat cu o placă de porţelan.
În acest caz, bobina de inducţie are o bornă laterala, pe capacul din carbolit
şi alte două borne pe capacul superior, dintre care una se leagă prin conductor cu
electromotorul de pornire, iar a doua se leagă cu fir dublu, unul merge la contact şi
prin aceasta face legătură cu bateria de acumulatori, iar al doilea se leagă la plăcuţa
montată pe dispozitivul de cuplare a electromotorului, prin care se va scurtcircuita
la pornire ambele fire care vin de la variator.
3.11.5.1 Ruptor-distribuitor
La sistemul de aprindere prin baterie şi transformator, ruptorul curentului
de joasă tensiune şi distribuitorul curentului de înaltă tensiune sunt montate
împreună, formând capul distribuitor sau coloana ruptor-distribuitor.
Ruptorul serveşte la întreruperea circuitului primar, asigurând prin aceasta
variaţia câmpului magnetic în bobina de inducţie, iar distribuitorul, la alimentarea
cu curent de înaltă tensiune a bujiilor, conform ordini de funcţionare a cilindrilor
motorului.
Antrenarea axului ruptor-distribuitor se face în cele mai multe frecvente
cazuri de la axul de came.
Condensatorul are scopul de a reduce efectele negative ale curentului de
ruptură şi de a feri de distrugere contactele.
El se montează în paralel cu ruptorul şi înmagazinează curentul de ruptură
din circuitul primar, în momentul îndepărtării contactelor ruptorului, evitând astfel
apariţia scânteilor şi oxidarea contactelor.
138
Un condensator este format din două benzi de foiţă de staniol de 35 mm lăţime
şi 2 000 mm lungime, izolate fiecare cu benzi de hârtie parafinată de 40 mm lăţime
şi 2 100 mm lungime.
Benzile de staniol se numesc armăturile condensatorului care se înfăşoară în
rulou strâns şi se introduc într-o manta metalică de protecţie, de forma unui cartuş. De
la fiecare armătură pleacă câte un conductor flexibil, dintre care unul se leagă cu
mantaua metalică, deci cu masa, iar celălalt se scoate afară izolat.
3.11.5.2 Bujia
Bujia serveşte la obţinerea scânteii electrice în camera de ardere a cilindrului
(fig.3.54. a, b).
Fig.3.54. Bujia: a- demontabilă; b- nedemontabilă
Ea se compune din corpul 1 şi electrodul central 2. Corpul 1 construit din
oţel, la partea inferioară este prevăzut cu filet pentru înşurubarea în chiuloasă, iar la
partea superioară cu exagon pentru strângere.
Electrodul central 2, de forma unei tije metalice, este prevăzut la partea
superioară cu filet pe care se înşurubează piuliţa 6 şi se fixează fişa de la distribuitor.
Izolantul 3 din porţelan, mică sau uralit, îmbracă la exterior electrodul central
La partea inferioară a corpului se află unul, doi sau trei electrozi laterali 4.
Între electrozii laterali şi electrodul central, se lasă o distanţă de 0,5-0,7 mm, între
care se închide circuitul de înaltă tensiune, producând scânteia. Bujiile pot fi
demontabile şi nedemontabile.
La o bujie demontabilă (fig.3.54. a), corpul metalic este compus din două
părţi: corpul propiu-zis 1 şi piuliţa de strângere 7, care se înşurubează în interiorul
corpului, fixând electrodul central 2. Între corpul bujiei, izolator şi piuliţa de
strângere, se aşează garnituri de cupru 8.
Bujiile nedemontabile nu au piuliţă interioară de strângere şi izolatorul
cu electrodul central sunt fixaţi în interiorul corpului cu ajutorul unui inel metalic
9 (fig. 3.54. b).
139
Pentru fiecare tip de motor se folosesc bujii de dimensiuni corespunzătoare.
Caracteristicile principale ale unei bujii sunt: diametrul şi lungimea părţii înnecate
(care se înşurubează). Diametrul poate fi de 22, 18, 14, 12 şi 10 mm.
3.11.5.3Caracteristica termică a bujiei
Un motor funcţionează bine atunci când porţiunea inferioară a
electrodului central şi a izolantului ce o acoperă, care vine în contact cu flacăra
în interiorul cilindrului, îşi ridică temperatura foarte repede peste 500°C şi apoi
o menţine pe toată durata funcţionării motorului fără a depăşi temperatura de
850°C.
Între aceste valori, vârful electrodului centrat şi al izolantului se încălzesc
până la culoarea roşu şi roşu-gălbui. Dacă temperatura depăşeşte 850°C, atunci
se pot produce preaprinderi ale amestecului carburant înainte de momentul
producerii scânteii, datorită bujiei prea încălzite.
Dacă temperatura se menţine sub 500°C, atunci particulele de ulei care
nimeresc pe electrozi nu ard momentan, bujia se ancrasează, nu mai produce scântei,
motorul funcţionează cu întreruperi.
Din aceste motive, o temperatura minimă de 500°C se numeşte temperatură
de autocurăţire, iar cea maximă de 850°C - temperatură de autoaprindere.
Proprietatea unei bujii de a atinge cât mai repede temperatura de regim,
cuprinsă între 500°-850°C şi a o menţine pe durata funcţionării motorului, se
numeşte caracteristica termică a bujiei.
Valoarea termică a bujiei se exprimă printr-un şir de numere: 20, 25, 45, 95,
125,... 500.
Bujiile reci au izolant scurt, deci suprafaţa de încălzire mică, iar valoarea
termică mare, deoarece este nevoie de o cantitate mai mare de căldura care să fie
preluată de la flacără din cilindru, până ce bujia va ajunge la temperatura de regim.
Invers, bujiile calde au izolantul lung, deci suprafaţa de încălzire mare, iar
valoarea termică mică, deoarece au nevoie de mai puţină căldură până să ajungă Ia
temperatura de regim.
3.11. 6 Aprinderea prin magnetou
Magnetoul este o maşină electrică care produce curent electric alternativ de
joasă tensiune, îl transformă în curent de înaltă tensiune şi îl distribuie la bujii, în
vederea aprinderii amestecului carburant în cilindri, conform ordinii de funcţionare
a motorului.
Spre deosebire de sistemul de aprindere pe baterie şi transformator,
magnetoul se caracterizează prin aceea că - sursa de curent, transformatorul
curentului de joasă tensiune în curent de înaltă tensiune şi distribuitorul sunt
concentrate într-un singur aparat complex.
140
Energia electrică în magnetou se obţine prin consum de energie mecanică a
motorului, care pune în mişcare de rotaţie organele mobile ale magnetoului. La baza
obţinerii energiei electrice o stă principiul inducţiei electro-magnetice.
Părţile principale ale unui magnetou sunt:
- Sistemul magnetic, cu ajutorul căruia se obţine un câmp magnetic
variabil;
- Bobinajul primar, cu ruptor şi condensator, care serveşte la
obţinerea curentului de joasă tensiune si la întreruperea lui bruscă;
- Bobinajul secundar, necesar pentru obţinerea curentului de înaltă
tensiune;
- Distribuitorul curentului de înaltă tensiune, necesar pentru dirijarea
curentului către bujii;
- Mecanismul avansului de aprindere, în vederea schimbării
momentului aprinderii.
După felul de excitaţie a curentului electric, magnetourile se
deosebesc de trei tipuri:
- Magnetou cu bobină fixă şi magnet rotativ.
- Magnetou cu bobină rotativă şi magnet fix.
- Magnetou cu bobină şi magnet fixe şi cu voleţii mobili.
3.11.6.1 Magnetoul cu magnet fix şi bobinaj rotativ
La acest tip de magnetou partea fixă o formează magnetul permanent, iar
partea mobilă, bobinajul primar şi secundar împreună cu cuptorul.
Construcţia şi funcţionarea acestui tip de magnetou sunt următoarele: între polii
a doi magneţi naturali 1 (fig. 3.55) se roteşte un miez de fier 2, din tole de oţel în formă
de dublu T, numit ancoră.
Pe partea centrală a ancorii sunt bobinate înfăşurările primară 3 şi secundară 4.
Aceasta împreună cu miezul formează rotorul. De laturile miezului sunt fixate două
flanşe a căror capete se termină prin fusuri de ax.
În interiorul flanşei anterioare S, este montat condensatorul 6, iar lateral în
exteriorul flanşei, pe fus, este rulmentul de sprijin şi apoi îmbrăcat platoul ruptomlui 7.
141
Fig.3.55. Schema magnetoului cu magnet fix şi bobinj rotativ
La flanşa posterioară 8, pe fus este fixat colectorul 12. Bobinajul primar este
din sârmă de cupru de 0,65-1 mm diametru, cu 100-250 spire, are un capăt prins de
miez iar celălalt capăt scos printr-o bucşă din material izolant 11, montată în fusul
flanşei anterioare 5.
Bobinajul secundar este din sârmă de cupru de 0,07-0,1 mm, cu 8000-1200
spire, are un capăt legat de bobinajul primar, deci de masă, iar al doilea capăt este
scos la colectorul 12.
Bobinajele sunt izolate între ele. Condensatorul 6 este din foiţe de staniu
izolate între ele. Jumătate din foiţă prin contactul comun este legată la ruptor, iar
restul deasemenea prin contact comun se leagă de masă.
Platoul ruptorului 7 se îmbracă prin bucşă pe fusul flanşei anterioare şi se
fixează în poziţie cu ajutorul şurubului central 10, care se înşurubează în bucşa
izolatoare //, stabilind în acest fel legătura cu capătul izolat al bobinajului
primar.
Pe platou sunt fixate ciocănelul 9 şi nicovala 8. Ciocănelul este mobil în
jurul axului sau, iar nicovala fixa şi izolată de masă. Fiecare poartă câte un contact
din material greu fuzibil. Contactul nicovalei poate fi reglat ca poziţie prin
înşurubare pe suportul sau. Cutia ruptorului are în interiorul său două praguri cu
ajutorul cărora se îndepărtează ciocănelul.
Pe colectorul 12 se sprijină cărbunele-perie 13 menţinut în suportul 14 din
material izolant, prin care trece conductorul pentru transmiterea curentului de înaltă
tensiune la contactul central 15, al distribuitorului 16.
Distribuitorul este prevăzut cu un număr de contacte laterale sau ploţi, egal
cu numărul cilindrilor motorului.
Prin rotirea contactului central de distribuţie, curentul prin ploţi trece la fisele
17 şi apoi la bujiile 18.
142
Principiul de funcţionare este similar cu magnetoul cu bobinaj fix. Când
miezul ocupă poziţia orizontală, prin partea lui centrală pe care sunt înfăşurate, trece
fluxul magnetic maxim (fig.3,55.a) iar în poziţia verticală a miezului fluxul magnetic
nu trece de loc prin partea centrală (fig.3.55.c).
În poziţii intermediare fluxul magnetic trece parţial prin miezul central (fig.
3.55.b) şi prin rotirea ancorei fluxul magnetic o să varieze ca mărime şi sens de două
ori la o rotaţie.
Fig.3.56. Poziţiile bobinajului rotativ (ancorei) între polii magnetului şi închiderea
fluxului
Fluxul magnetic variabil şi alternativ va induce în circuitul primar curent de
joasă tensiune. Prin întreruperea circuitului primar cu ajutorul ruptorului se induce
în circuitul secundar curent de înaltă tensiune, care prin colector, distribuitor şi fişe,
este dirijat la bujii între electrozii cărora se produc scânteile.
3.12. Sistemul de ungere
Dacă punem în contact două suprafeţe aflate în mişcare una faţă de alta, va
lua naştere o foiţă care se opune mişcării, numită forţă de frecare. Aceasta va fi cu
atât mai mare, cu cât asperităţile suprafeţelor vor fi mai mari. Prin frecare,
asperităţile se tocesc şi ia naştere căldura.[3,9,16,22]
La tractoare şi automobile, sunt multe organe care se freacă în timpul
lucrului. Datorită faptului că piesele nu se pot finisa în aşa fel ca suprafeţele lor să
fie perfect netede, ele rezultă cu asperităţi, iar prin frecarea lor reciprocă, dau naştere
la uzuri.
De asemenea asupra mărimii forţei de frecare influenţează felul materialelor
din care sunt făcute organele şi condiţiile în care are loc frecarea.
După felul contactului între suprafeţele organelor, frecarea poate fi:
- frecare uscată, când suprafeţele vin în contact direct ungerea între
suprafeţele aflate în frecare lipseşte, iar uzura lor este mare;
143
- frecare semilichidă, când între suprafeţe se află un strat de lichid care nu
acoperă vârfurile asperităţilor, ungerea este incompletă, iar uzura suprafeţelor este
moderată.
Când cantitatea de lichid interpus între suprafeţele în frecare este mică, se
mai deosebeşte frecarea semiuscată.
În acest caz la o funcţionare prelungită a organelor, uzura este pronunţată.
Fig.3.57. Schema diferitelor feluri de frecare între două suprafeţe în contact
a- frecare uscată; b- frecare semilichidă; c- frecare lichidă
Practic o delimitare categorică între frecarea semilichidă şi frecarea semiuscată
nu este posibilă:
- frecarea lichidă, când suprafeţele în frecare sunt separate complet
de stratul de lichid iar uzura lor este minimă.
Frecarea lichidă este de 30-40 ori mai uşoară decât frecarea uscată, Introducând
un strat de lubrifiant între suprafeţele în mişcare, frecarea dintre ele este înlocuită cu
frecarea dintre particulele lubrifiantului, având loc o alunecare a pieselor de
particulele de lichid, ceea ce duce la reducerea frecării şi uzurii.
Totodată stratul de lubrifiant serveşte ca material răcitor pentru îndepărtarea
căldurii care ia naştere prin frecarea suprafeţelor în contactarea are rolul de a micşora
frecarea dintre piese, de a înlocui frecarea uscată cu cea lichidă. Ungerea suprafeţelor
în frecare se face folosind diferite materiale de ungere, lichide şi consistente.
Numim ungere, introducerea unei pelicule de material de ungere între
suprafeţele de frecare a diferitelor asamblări mobile de organe. Pentru ca ungerea
să se facă mai bine, este necesar să asigurăm o circulaţie a lubrifiantului între
suprafeţele de frecare. Prin aceasta se îndepărtează şi impurităţile ce iau naştere prin
tocirea asperităţilor.
În cazul motoarelor cu ardere internă, în afară de reducerea frecării,
îndepărtarea căldurii şi a impurităţilor ce rezultă din frecare, mai este necesară
îndepărtarea reziduurilor de ardere din cilindru, protejarea suprafeţelor împotriva
coroziunii şi asigurarea etanşeităţii dintre cilindru şi piston. Ca material de ungere
se folosesc uleiuri minerale lichide.
144
Toate acestea se realizează printr-un circuit corespunzător al uleiului în
motor, asigurat de o serie de organe, care împreună alcătuiesc sistemul de ungere.
La motoarele cu ardere internă, rolul sistemului de ungere este deci următorul:
- trimite automat şi în continuu ulei între organele care se freacă; prin
aceasta se reduce consumul de putere necesar pentru învingerea frecării şi se
micşorează uzura organelor motorului;
- îndepărtează căldura rezultată prin frecare şi parţial căldura cedată prin contact
între organe;
- asigură etanşeitatea dintre cilindru şi piston, împiedicând scăparea
gazelor în carter;
- curăţă suprafeţele în frecare de zgură şi şpan metalic, având rol de
spălare;
- protejează organele motorului împotriva coroziunii ce ia naştere ca rezultant
al acţiunii produselor de ardere, oxigenului şi apei.
3.12.1 Condiţiile de ungere ale organelor motorului
Diferitele organe în frecare ale motorului impun condiţii de ungere
deosebite. Ideal ar fi ca în toate locurile să asigurăm o frecare lichidă, dar acest
lucru nu este pe deplin posibil. [3,9,16,22]
Lagărele paliere şi magnetoane ale arborelui cotit, în timpul funcţionării
motorului sunt supuse la solicitări mari, în ele şi frecarea fiind cea mai mare.
Menţinerea unui strat de ulei cât mai gros între fus şi lagăr, este o problemă
destul de grea şi depinde de vâscozitatea uleiului, turaţia arborelui, dimensiunile
lagărului şi jocurile în lagăr, în general, mărindu-se cantitatea de ulei, funcţionarea
lagărelor se îmbunătăţeşte.
Menţinerea în tot timpul funcţionarii motorului a unui strat de ulei între fus
şi lagăr se bazează pe principiul penei .
Astfel, când fusul începe să se rotească, antrenează cu el uleiul ce s-a lipit
de suprafaţa lui şi înconjoară fusul sub forma unei pelicule subţiri. Deoarece uleiul
se lipeşte şi de suprafaţa imobilă a lagărului , atunci uleiul antrenat de fus, formează
cu acesta un strat în formă de pană, datorită căruia suprafaţa fusului se
îndepărtează de suprafaţa lagărului, se ridică în sus şi deplasându-se puţin în
direcţia sensului de mişcare, se menţine pe stratul de ulei format, iar frecarea nu
are loc între suprafeţe metalice, ci între straturile interioare ale uleiului. Odată
cu uleiul sunt antrenate şi impurităţile cuprinse în el.
Astfel, o ungere bogată a cilindrului, va duce inevitabil la formarea zgurei în
camera de ardere, pe pistoane, segmenţii şi supape..
Organele mecanismului de distribuţie necesită o ungere mai puţin intensivă,
deoarece ele nu sunt supuse solicitărilor atât de mari ca organele mecanismului bielă-
manivelă.
145
La pornire, când motorul este rece, atât lagărele, cât şi celelalte organe în
frecare ale motorului, pot avea o ungere nesatisfăcătoare datorită lipsei de ulei şi
vâscozităţii moleculelor acestuia de a adera la suprafaţa metalelor. Ungerea altor
organe ajutătoare ale motorului (ventilatorul, pompa de apă, magnetoul etc.) se face
periodic.
3.12.2 Metodele de ungere
La motoare se folosesc diferite metode de ungere, potrivit cărora, în cadrul
sistemului respectiv uleiul în mişcarea execută ungerea, apoi în majoritatea cazurilor
este recuperat, se răceşte şi se regenerează, pentru ca să intre din nou în circuit.
Deosebim următoarele tipuri de sisteme de ungere:
- ungere fără circuit propriu
- ungere cu circuit deschis
- ungere cu circuit închis
Ungere fără circuit propriu se întâlneşte la motoarele la care uleiul nu are un
drum propriu. Uleiul se amestecă în benzină în proporţie de 1/15-1/20, el va trece
împreună cu combustibilul mai întâi prin carter, apoi în cilindru, unde sub formă de
particule fine execută ungerea diferitelor suprafeţe în frecare.
Se foloseşte la motoarele cu carburator în doi timpi cu refulare prin carter de
mică putere, cum ar fi servomotorul P.D.-10, la diferite motoroaşe pentru motopompe,
motocultoare ca şi la motocicletă.
Ungerea cu circuit deschis se foloseşte mai rar fiind neeconomică. Uleiul
trece o singură dată prin motor, execută ungerea diferitelor organe în frecare şi apoi
este evacuat sau ars odată cu combustibilul. Se foloseşte la unele motoare cu
calorizator.
Ungerea cu circuit închis se foloseşte cel mai des. Uleiul plecând dintr-un
rezervor face ungerea organelor în frecare şi se reîntoarce la locul de plecare, pentru
ca să reintre în circuit.
Ungerea cu circuit închis este de mai multe feluri:
- ungere prin barbotaj, (stropire),
- ungere prin barbotaj cu circulaţie,
- ungere forţată, prin pompă,
- ungere mixtă.
Datorită acestor dispozitive suplimentare, uleiul este filtrat şi menţinut
totdeauna la acelaşi nivel în coveţi, ceea ce creează condiţii mai bune de ungere
pentru toate bielele indiferent de poziţia motorului.
Acest sistem de ungere se foloseşte la motoare de mică putere, cu număr mic
de cilindri (1-4 cilindri), în special la motoare cu carburator.
Ungerea forţată cu pompa se utilizează la unele motoare stabile şi motoare de
tractor în doi timpi. De la rezervor, uleiul vine la pompa centrală care îl trimite prin
146
conducte la locurile de ungere: fusele paliere şi magnetoane, cilindrul şi pistonul,
regulatorul de turaţie, etc. După ce a executat ungerea, uleiul poate fi recuperat în
carter. Este o ungere neeconomică şi nu atât de perfectă.
Ungerea mixtă satisface cel mai bine necesităţile diferite de ungere din motor,
întrucât lagărele sunt unse în abundenţă cu ulei sub presiune, iar cilindrul şi
pistoanele stropite cu picături fine de ulei. Aici ungerea prin pompă este completată
cu ungerea prin barbotaj.
3.13. Sistemul de răcire
Probleme generale privind răcirea motorului
În timpul funcţionării motorului termic cu ardere internă, organele lui care
vin în contact cu gazele arse, a căror temperatură, este ridicată, se încălzesc destul
de puternic.[8,27,33]
Temperatura maximă din camera de ardere atinge valori de l 800 –2000°C,
iar temperatura medie pe durata ciclului, pentru condiţiile normale de funcţionare a
motorului variază între 400-500°C.
În urma acestui fapt, se încălzesc toate organele motorului, în special o încălzire
puternică suferă cilindrii, chiuloasa, pistoanele şi supapele.
Dacă aceste organe nu vor fi răcite, atunci funcţionarea motorului devine
defectuoasă, în principal observându-se următoarele fenomene:
- se înrăutăţeşte ungerea organelor în frecare, deoarece uleiul începe
să se descompună la temperatura de 350°C, îşi pierde proprietăţile sale de
ungere, iar la 400°C începe să se cocseze şi să se ardă;
- datorită supraîncălzirii organelor motorului, are loc o dilatare
neuniformă a lor şi se modifică jocurile normale dintre organele în frecare;
- prin încălzire puternică, scad proprietăţile mecanice ale
materiarelor din care sunt executate organele motorului şi datorită
solicitărilor termice, apar deformaţii;
- se micşorează coeficientul de umplere a cilindrilor motorului, iar
ca rezultat scade puterea motorului;
- apare posibilitatea autoaprinderi şi detonaţiilor care pot provoca
defectarea şi chiar avarierea motorului.
Spre a evita aceste neajunsuri, motorului i se face o răcire artificială,
îndepărtând căldura de la piesele încălzite şi evacuându-se în afară, fie direct, fie
prin intermediul unui lichid.
Îndepărtarea căldurii de la organele motorului reprezintă o pierdere a unei
părţi din căldură obţinută prin arderea combustibilului, însă, ea este necesară
pentru asigurarea bunei funcţionări a motorului.
O răcire exagerată a motorului nu este bună, deoarece în acest mod are loc
condensarea combustibilului pe pereţii cilindrilor, se diluează uleiul, se
înrăutăţeşte ungerea, frecarea se măreşte, amestecul carburant se aprinde greu şi
147
arde încet, puterea motorului se micşorează, iar funcţionarea lui este neeconomică,
deoarece consumul de combustibil creşte.
Mărimea cantităţii de căldură care trebuie îndepărtată de la motor prin
răcire, depinde în mare măsură de construcţia lui, de felul cum este răcit şi în
medie variază în jur de 30% din toată cantitatea de căldură obţinută prin ardere.
Organele şi dispozitivele cu ajutorul cărora se face răcirea motorului
formează sistemul de răcire.
Rolul sistemului de răcire al motorului termic cu ardere internă este de a asigura
în timpul funcţionării lui îndepărtarea unei părţi din căldură şi a menţine organele
motorului la o anumita temperatura numită temperatură de regim termic normal.
La motoarele termice cu ardere internă sistemele de răcire pot fi de
două feluri:
- răcire directă, cu aer;
- răcire indirectă, cu lichid.
3.13.1 Sistemul de răcire directă
Sistemul de răcire directă, cu aer, se caracterizează prin aceea că îndepărtarea
căldurii de la organele încălzite ale motorului se face direct de către aerul exterior,
care scaldă organele motorului.
După destinaţia motorului respectiv, sistemul de răcire cu aer poate fi de două
tipuri: fără turbină şi cu turbină. [8,27,33]
La motoarele răcite cu aer (fig.7.1), suprafeţele exterioare a cilindrului şi
chiuloasei sunt prevăzute cu lamele, prin intermediul cărora se măreşte suprafaţa de
contact a motorului cu aerul şi căldura este cedată mai uşor. În vederea unei răciri
mai bune, chiuloasa se face din aliaj de aluminiu, iar la unele motoare peste cilindru
din fontă, se îmbracă o cămaşă cu lamele în exterior turnată din aluminiu sau cupru,
materiale cu coeficient de conductibilitate termică ridicat.
În cazul motoarelor cu mai mulţi cilindri, folosite pe autovehicule care se
deplasează cu viteză mare, motorul este scăldat de un curent puternic de aer, deci
căldura este cedată aerului uşor, atunci sistemul de răcire nu mai are alte dispozitive.
3.13.2 Sistemul de răcire indirectă
La acest sistem, căldura ce trebuie evacuată de la motor este preluată de
către apă, fiind apoi cedată aerului. Motorul este prevăzut cu un spaţiu liber în
jurul cilindrilor şi camerei de ardere prin care circulă apa, formând cămaşa de
apă sau de răcire, al motorului. [8,27,33]
Acest sistem de răcire în timpul funcţionării motorului asigură menţinerea
unei temperaturi scăzute şi mult mai constante în comparaţie cu sistemul de răcire
directă.
148
Temperatura optimă a apei în sistemul de răcire variază între 94-96°C la
motoarele pe petrol şi 80-90°C la motoarele pe benzină şi motoarele Diesel.
Acesta corespunde regimului termic normal al motorului.
Sistemele de răcire indirectă pot fi de următoarele tipuri: prin vaporizare, prin
termosifon, răcire cu circuit forţat, prin pompă de răcire cu circuit forţat prin pompă şi
termostat.
Sistemul de răcire cu circuit forţat prin pompă şi cu termostat se compune din
aceleaşi organe ca şi sistemul de răcire prin pompă, în plus (fig.3.58.), în racordul 3 din
chiuloasă, care face legătura cu radiatorul 6, se afla montat termostatul 8.
Acesta permite trecere apei spre radiator la răcire numai când temperatura ei a
depăşit 70°C. În felul acesta termostatul reglează automat circulaţia apei în sistemul de
răcire în funcţie de temperatură.
Fig.3.58. Schema sistemului de răcire forţat prin pompă şi cu termostat
Funcţionarea sistemului de răcire cu circuit forţat şi termostat este
următoarea: la pornire, când apa din sistem este rece, pompa de apă 5 antrenează
apa pe circuitul: pompă-bloc-chiuloasă şi prin ferestrele termostatului din nou la
pompă, deoarece termostatul menţine închis racordul de trecere a apei spre radiator.
Termostatul este un dispozitiv care reglează automat circulaţia apei din
sistemul de răcire şi menţine un regim de temperatură între limitele apropiate
regimului termic normal.
Deasemenea el ajută la încălzirea rapidă a motorului după pornire, lucru foarte
important mai ales pe timp rece. Termostatele sunt de mai multe feluri: cu lamelă
bimetalică, cu piston, însă răspândirea cea mai largă o au termostatele cu burduf cu
lichid şi supapă dublă.
Un asemenea termostat (fig3.59.) este format dintr-un cilindru de alamă 1
închis etanş, cu pereţii gonflaţi, formând un burduf elastic.
149
Fig.3.59. Termostatul
a- circulaţia apei scurtcicuitată; b- circulaţia apei prin radiator
În interiorul burdufului se află un lichid a cărui temperatură de fierbere este
sub 100°C (soluţie apoasă de eter). La partea superioară, pe burduf este montată tija
3, de care este fixată supapa dublă: inferioară 2 şi superioară 5. Burduful este montat
cu partea inferioară pe corpul termostatului 4, care lateral are două ferestre 6, ce pot
fi închise de supapa 2 iar la partea superioară un orificiu închis de supapa 5. Supapele
lucrează alternativ, când una este închisă, cealaltă este deschisă şi invers.
Termostatul se află montat într-o cameră a racordului chiuloasei care face
legătura cu radiatorul. De la camera termostatului porneşte o ramificaţie 7, sub forma
unei conducte de derivaţie, care merge la pompă.
La pornire, când motorul este rece, burduful este comprimat şi ambele supape
sunt lăsate în jos. Supapa superioară 5 închide accesul apei spre radiator lăsând-o să
treacă prin orificiile 6 deschise de supapa inferioară 2 şi prin conducta de derivaţie 7, la
pompa de apă, încât apa circulă numai în bloc şi chiuloasă şi se încălzeşte repede.
Când temperatura apei depăşeşte 70°C, lichidul din burduf se vaporizează şi se dilată,
întinde burduful şi o dată cu el începe să deplaseze supapele în sus.
Când motorul este încălzit şi temperatura apei a trecut de 80°C, supapa
superioară 5 este ridicată şi orificiul deschis complet, permiţând apei să treacă spre
radiator la răcire, în timp ce supapa inferioară 2, prin ridicare închide orificiile
laterale 6 şi opreşte trecerea apei spre pompă prin conducta de derivaţie 7. În acest
fel prin schimbarea poziţiei supapelor, se menţine automat temperatura optimă de
funcţionare a motorului.
Pompa de apă serveşte la antrenarea apei în sistemul de răcire forţat. La
tractoare şi automobile, pompele de apă sunt de tipul centrifugal, cu palete şi
pot avea amplasarea superioară, montate pe axul comun cu ventilatorul sau se
montează lateral în partea inferioară a blocului.
150
Aşezarea pompei de apă determină construcţia şi modul ei de acţionare.
Acţionarea se face prin roţi dinţate şi ax, de la angrenajele distribuţiei, sau prin curea
de la fulia arborelui motor. Pompa de apă cu aşezare inferioară este formată din:
corpul turnat din fontă şi capacul prins cu şuruburi. Între corp şi capac
etanşarea se face prin intermediul unei garnituri. Prin racordul de evacuare ,
pompa comunică cu cămaşa de apă a motorului.
Conducta de admisie este racordată prin intermediul unui manşon de cauciuc
cu bazinul inferior al radiatorului. Pe axul , este fixat rotorul cu palete3. Prin rotirea
axului paletele rotorului antrenează apa din bazinul inferior prin conducta şi o
refulează sub presiune prin racordul de evacuare în cămaşa de răcire. La amplasarea
superioară pompa se află montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului
cilindrilor, pe ax comun cu ventilatorul , fiind antrenată împreună cu acesta, prin una
sau două curele trapezoidale , de la fulia montată pe capătul dinainte al arborelui
cotit al motorului montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului cilindrilor,
pe ax comun cu ventilatorul , fiind antrenată împreună cu acesta, prin una sau două
curele trapezoidale , de la folia montată pe capătul dinainte al arborelui cotit al
motorului.
3.14. Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor
Puterea indicată pi si efectivă pef a motorului. [1,8,33,36]
În formă generală, puterea este definită ca lucru mecanic produs în unitatea
de timp. Dacă efectuăm o cantitate de lucru mecanic L kgm, în timpul t secunde,
atunci puterea se va exprima:
s/kgmt
LP
Deoarece lucrul mecanic este produsul forţei F, măsurată în kilograme forţă,
cu deplasarea S, măsurată în metri, atunci:
s/kgmt
FSP
Deci pentru determinarea puterii motorului conform acestei formule generale
trebuie să cunoaştem trei mărimi: forţa, deplasarea şi timpul.
Spre a determina puterea motorului în unităţi tehnice folosite practic, în
cai putere, atunci puterea exprimată în kgm/s trebuie împărţită la 75, cunoscând că
1 CP = 75 kgm/s.
98.375
CPt
FSP
Forţa se va determina ca produsul dintre presiunea medie a gazelor asupra
capului de piston. Pentru că presiunea se exprimă în kgf/cm2 atunci suprafaţa
capului de piston trebuie luată în cm2.
Suprafaţa capului de piston fiind suprafaţa unui cerc egala cu 4
d 2
151
Atunci: kgfp4
dF
i
2
în care: d este diametrul pistonului, luat în cm;
Pi - presiunea medie indicată reala, în kgf/cm2
Deplasarea, pe lungimea căreia acţionează forţa, va fi reprezentată prin cursa
S a pistonului, măsurată în metri.
Timpul, în care s-a efectuat lucrul mecanic se va reprezenta prin durata
efectuării unui ciclu, iar aceasta se determină după turaţia n a motorului, care se dă
în rotaţii pe minut.
Deoarece avem motoare la care ciclul se efectuează în 4 şi în 2 timpi, rezultă
că durata pentru fiecare ciclu va fi experimentată diferit.
La motorul în 4 timpi, un ciclu se efectuează la două rotaţii, deci la un motor
care are n rot/min se vor efectua:
n/2 ciclu în 60 secunde, iar
1 ciclu, în n
260
2
n
60 secunde
La motorul în 2 timpi, un ciclu se efectuează la o singură rotaţie, deci: n ciclu
în 60 secunde, iar l ciclu se efectuează în 60/n secunde.
Înlocuind în formula generală a puterii valorile forţei, deplasării şi timpului,
vom obţine:
Pentru motorul în 4 timpi, cu un cilindru
CP752604
Spd
75n
260
Sp4
nd
P ni
2i
2
i
Pentru motorul în doi timpi, cu un cilindru:
CP75604
Spd
75n
60
Sp4
nd
P ni
2i
2
i
Spre a generaliza formula puterii, indiferent de câţi timpi se realizează ciclul
motorului, este necesar să ţinem cont de coeficientul de timp. Dacă vom scrie:
sn2
k60t
în care: k este coeficientul de timpi şi anume: pentru motoare în patru timpi k = 4
şi pentru motoare în doi timpi k = 2, se poate observa uşor că înlocuind valoarea lui
k după caz, obţinem valoarea timpului în care se efectuează ciclul respectiv
exprimat prin turaţie.
Atunci formula puterii va primi forma generală:
152
CPk75604
SpdP
2ni
2
i
Dacă avem un motor cu mai mulţi cilindri, i este evident că puterea
lui va fi mai mare de atâtea ori câţi cilindri sunt, deci:
CPk75604
SpdP
2ni
2
i
(3.99)
Din formula 3.99 se vede ca produsul s
2
VS4
d
reprezintă cilindreea
motorului cu un singur cilindru, iar t
i
2
V4
Sd
volumul total al cilindrilor
motorului sau cilindreea totală, care obişnuit este exprimată în dm3 sau litri. Deoarece
în formula puterii diametrul pistonului a fost luat în cm iar cursa lui în m atunci pentru
a exprima cilindreea în dm3 sau litri aceste valori trebuie transformate în decimetri,
iar formula puterii va primi forma următoare:
CPk225
npV
k7560
2npV10P isis
i
Corespunzător, pentru un motor cu mai mulţi cilindri, vom avea:
100.32257560
210CP
k
npV
k
npVP itit
i
Puterea indicată a motorului, nu o putem folosi practic. Ea este o putere
convenţională stabilită de noi şi reprezintă acea putere care se dezvoltă în camera
de ardere a motorului în timpul funcţionării lui.
În mod efectiv noi folosim această putere după ce a fost transmisă până la
arborele cotit al motorului, suferind în procesul transmitem o sene de consumuri, care
practic le denumim pierderi. O parte din puterea indicată se consumă pentru
învingerea forţelor de frecare, acţionarea organelor ajutătoare ca: pompe,
ventilator, magnetou sau dinam etc.
Raportul dintre puterea efectivă si puterea indicata se numeşte randamentul
mecanic:
101.3i
ef
mP
P
de unde rezultă că puterea efectivă poate fi exprimată astfel:
niefPP
Însă consumurile din puterea indicată pot fi reprezentate drept pierderi
din presiunea medie indicată, în rezultat obţinându-se o presiune medie reală sau
efectivă pef, a cărei valoare va fi întotdeauna mai mică.
153
Aceasta înseamnă că raportul dintre presiunea medie efectivă şi presiunea
medie indicată ne va caracteriza de asemenea randamentul mecanic:
i
ef
mP
P
de unde rezultă:
mief
PP
Valoarea presiunii medii efective variază între 4-6 kgf/cm2. În baza acestor
considerente, introducând în formulele puterii indicate valoarea presiunii medii
efective, vom obţine formula puterii efective:
102.375604
22
CPk
iSpdP nmi
ef
şi exprimată prin cilindree:
103.3225225
CPk
nVp
k
nVpP
teftmi
ef
Valoarea randamentului mecanic depinde de turaţie şi pentru motoarele de
tractor şi automobil variază între 0,85-0,92.
Analizând puterea efectiva pef, se vede că ea creste daca se măreşte
presiunea efectivă, cilindreea totală, turaţia si dacă ciclul de funcţionare se
desfăşoară în mai puţini timpi.
- Presiunea efectivă medie se poale ridică prin mărirea gradului de
compresie, prin ridicarea coeficientului de umplere, îmbunătăţirea arderii şi
micşorarea pierderilor prin frecare.
- Creşterea cilindreei nu este recomandabilă deoarece duce la
îngreunarea construcţiei, creşterea dimensiunilor motorului, consum ridicat de
combustibil şi ulei etc.
- Turaţia contribuie cel mai mult la ridicarea puterii unui motor.
Totuşi ea este limitată de o serie de factori ca: creşterea forţelor de inerţie,
scăderea coeficientului de umplere, scăderea randamentului mecanic etc.
- Numărul de timpi în care se execută ciclul de funcţionare are
influenţă asupra puterii motorului. Teoretic un motor în 2 timpi este mai
puternic de două ori faţă de un motor în 4 timpi, la aceleaşi dimensiuni
constructive.
3.14.1 Consumul specific de combustibil şi randamentele motorului
Aprecierea sub aspect economic a funcţionării motorului se exprimă prin
consumul de combustibil pe unitatea de putere, adică pe un cal putere în timp de
o oră şi prin randamentele motorului, care caracterizează pierderile termice şi
mecanice.
Sub acest aspect, deosebim consum specific indicat şi randament indicat,
atunci când ne referim la puterea indicată a motorului şi consum specific efectiv
154
şi randamentul efectiv, atunci când ne referim la puterea efectivă a motorului.
[1,8,33,36]
Consumul specific indicat, reprezintă raportul dintre consumul orar de
combustibil faţă de puterea indicată a motorului.
104.3/1000 orăCPgP
Cc
i
h
în care: Ch este consumul de combustibil în kg/oră
Randamentul indicat i reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură
transformată în lucru mecanic indicat faţă de întreaga cantitate de căldură
consumată:
105.3632
hi
i
iCH
p
în care: 632=75.3600/427 este cantitatea de căldură echivalentă cu l cal
putere oră; Hi - puterea calorică inferioară a combustibilului, în kcal/kg.
Înlocuind valoarea consumului orar Ch prin consumul specific c atunci
randamentul indicat se va exprima:
106.31000632
ii
igH
din care se vede, că pe măsură ce consumul specific de combustibil este mai mic,
cu atât creşte valoarea randamentului indicat.
Valoarea randamentului indicat i variază între limitele:
- pentru motoare cu carburator, i= 0,20 - 0,28
- pentru motoare Diesel, i=0,35-0,45
Analog, putem determina:
Consumul specific efectiv, care reprezintă raportul dintre consumul orar de
combustibil şi puterea efectivă dezvoltată de motor:
ef
h
efP
Cc 1000 g/Cp oră efectivă (3.107)
Ţinând cont de faptul că:
mief
PP
atunci:
mi
h
efp
1000Cc
şi deoarece:
i
i
h cp
1000C
atunci:
m
i
ef
cc
g/CP oră efectiv (3.108)
155
Valorile consumului specific variază între limitele:
- pentru motoare cu carburator pe benzina, cef=200-275g/CP oră ef
- pentru motoare cu carburator pe petrol, cef = 250 - 325 g/CP oră ef,
- pentru motoare Diesel,ccf =175- 225 g/CP oră ef.
Randamentul efectiv ef sau randamentul economic caracterizează toate
pierderile de căldură şi mecanice.
El poate fi calculat după formula:
109.3632
ih
ef
efHC
p
sau:
110.31000632
ief
efHc
Deoarece raportul dintre puterea efectivă Pef şi puterea indicată Pi reprezintă
randamentul mecanic m atunci înlocuind valorile puterilor Pi si Pef deduse din
formulele 3.105 a randamentului indicat şi 3.109 a randamentului efectiv, obţinem:
i
ef
i
ef
mP
P
de unde rezultă:
111.3mief
Deci, randamentul efectiv este egal cu produsul randamentelor
indicat şi mecanic.
Valorile randamentului efectiv variază între limitele:
- pentru motoare cu carburator, ef = 0,22 - 0,27
- pentru motoare Diesel, ef = 0,28 - 0,36
Din formula 3.111 se vede că valoarea randamentului economic se poate
ridica dacă avem randamentele indicat şi mecanic cât mai mari.
Se ajunge către limitele superioare ale valorii randamentului economic
prin creşterea raportului de compresie, micşorarea pierderilor termice şi
îmbunătăţirea procesului de ardere, precum şi prin îmbunătăţirea construcţiei
organelor motorului, fapt prin care se micşorează pierderile mecanice
156
4. Transmisii folosite în construcţia bazei energetice pentru agricultură
4.1 Transmisii prin roţi dinţate(Angrenaje)
În cadrul transmisiilor mecanice actuale, cele cu roţi dinţate au cea mai largă
utilizare, asigurând construcţii compacte şi fiabile pentru întrega gamă de puteri
ale utilajelor[9,12,18,20,35].
Transmisiile cu roţi dinţate cuprind: reductoare; cutii de viteză; variatoare;
transmisii complexe.
Cea mai simplă transmisie cu roţi dinţate este formată din două roţi dinţate în
angrenare şi este denumită angrenaj.
După forma roţilor, se deosebesc următoarele tipuri de angrenaje: cilindrice
(fig.4. a,b,c.); interioare (fig.4. d,e.); elicoidale (fig.4. f.); conice (fig.4. g,h,i.);
hipoide (fig.4.j.); melcate (fig.4. k.); globoidale (fig.4.l.); cu cremalieră (fig.4. m.);
cu roată plană (fig.4. n.):
Fig.4.1. Tipuri principale de angrenaje.
157
4.2 Reductoare de turaţie
Reductoarele de turaţie cu roţi dinţate sunt mecanisme organizate ca
ansambluri independente, cu raport de transmitere constant, realizate în carcase
închise şi etanşe destinate reducerii turaţiei, concomitent cu amplificarea
momentului de torsiune transmis, şi multiplicatoare de turaţie cu roţi dinţate, care
realizează o creştere a turaţiei la ieşire.( 9,12,18,20,35 )
Reductoarele de turaţie au în construcţie, în general, angrenaje cilindrice,
conice şi melcate, montate în serie sau în serie-paralel, formând astfel treptele
reductorului. În domeniul reductoarelor cu rapoarte mari de transmitere pe o singură
treaptă, s-au dezvoltat construcţii având la bază angrenaje speciale: armonice, cu
bolţuri sau cu galeţi. (11)
Diversitatea de utilizări a dus la o mare varietate constructivă a reductoarelor
şi la realizarea acestora într-o gamă largă de puteri, rapoarte de transmitere, diferite
poziţii relative ale arborilor extremi, diferite poziţii de prindere pe maşina antrenată.
La reductoarele de uz general sunt standardizate: rapoartele de transmitere
(STAS 6012 - 82); distanţele dintre axe la angrenaje (STAS 6055-82); înălţimea
planului axelor de cuplare faţă de talpa de prindere (STAS 2741/6); simbolizarea
reductoarelor (STAS 6848-80); dimensiunile capetelor de arbori cilindrici şi conici
[STAS 8724/1,2,4-71,74], etc.
La reductoarele cilindrice cu una, două sau trei trepte tipurile şi parametrii
principali sunt precizaţi în STAS 6850-80 pentru tipurile 1C1, 2C1 şi 3C1, respectiv
în STAS 11915-80 pentru tipurile RV , 2RV, 3RV caracteristice instalaţiilor de
ridicat şi transportat.
În STAS 11917-80 se prezintă tipurile şi parametrii principali la reductoarele
cilindrice coaxiale, iar în STAS 11921-80 motoreductoarele cu angrenaje cilindrice
cu două şi trei trepte.
Nivelul înalt de tehnicitate, corelat cu marea varietate şi realizarea lor
economică a impus execuţia reductoarelor de turaţie în întreprinderi specializate,
dotate cu utilaje moderne.
Parametrii principali ai unui reductor sunt: tipul reductorului, puterea
transmisă P1, în [kW], turaţia la arborele motor n1 [rot/min] şi raportul de transmitere
i [adimensional].
158
Tabelul 10.4.
Mecanisme planetare cu una şi cu două roţi centrate
159
Fig.4.2. Mecanisme planetare cu trei roţi centrale
4.3 Transmisii prin curele
Transmisiile prin curele realizează transmiterea puterii de la roata motoare la
una sau mai multe roţi conduse, prin intermediul unui element flexibil fără sfârşit.
Transmiterea mişcării se poate realiza cu alunecare şi fără alunecare. [9,12,18,20,35]
Utilizarea transmisiilor prin curele în limitele parametrilor funcţionali, este
economică, asigură un nivel redus al vibraţiilor şi implicit, o fiabilitate mărită în
exploatare.
Transmisiile prin curele prezintă unele dezavantaje, care constau în gabaritul
lor relativ mare, iar în cazul transmisiilor cu fricţiune prin curele late şi trapezoidale,
nu asigură un raport de transmitere constant datorită alunecărilor, ale căror valori
sunt influenţate de variaţia coeficientului de frecare, depizând de condiţiile mediului
ambiant.
Tabelul 4.2
Domeniul de utilizare a transmisiilor prin curele
Tipul curelei
Puterea
transmisă
KW
Viteza
curelei
m/s
Utilizare
normală
Utilizare
limitată
Curele late foarte
flexibile
2000
90 1-6 10
Curele late
compound
5000 100 1-10 20
Curele
trapezoidale
1200 Clasice 30
Înguste 50
1-8 15
Curele late dinţate 400 80 1-8 10
160
4.3.1 Transmisii prin curele late
În funcţie de materialul din care sunt confecţionate curelele, se disting
următoarele tipuri :
Curele din piele, sunt confecţionate din piele de bovine într-un strat, două
sau mai multe straturi, lipite între ele pe toată lungimea curelei, pe partea cărnoasă
a acesteia.
Flexibilitatea lor depinde de conţinutul de grăsime: foarte flexibile (7%),
flexibile (14%), rezistente-standard (25%).
Curele din ţesuturi, sunt confecţionate din textile naturale sau din fibre
sintetice. Curelele din ţesături se pot confecţiona într-unul sau mai multe straturi,
îmbinate pe toată lungimea prin coasere sau într-o textură specială, lipite iar în cazul
curelelor cauciucate prin vulcanizare.
Curele compound, realizate în mai multe straturi, oferă cumulat avantajele
datorate proprietăţilor de rezistenţă ale materialelor plastice, precum şi a celor de
fricţiune specifice curelelor din piele [6].
Performanţele foarte ridicate le recomandă numai pentru cazuri speciale de
utilizare. Curelele compound sunt rezistente la produse petroliere, sunt flexibile,
permit transmiterea puterii cu oscilaţii minime, sunt antielectrostatice, au o
durabilitate mare şi sunt practic insensibile la umiditate.
Curelele de acest tip având inserţie (folie de poliamidă) se execută la orice
lungimi, cu lăţimi până la 1200 mm şi se pot lungi, scurta sau repara.
Curelele cu inserţie de şnur poliamidic se realizează numai fără fire, la
lungimi de max 10 000 mm şi lăţimi până la 500 mm.
4.3. 2 Elemente constructive
Îmbinarea curelelor late pot fi fără sfârşit sau îmbinate prin lipire, coasere
sau vulcanizare sau cu elemente metalice. Lipirea cu adezivi sintetici asigură
rezistenţe ridicate la tracţiune, realizându-se sub formă de pană, pe lungimi conform
prevederilor STAS 758-83.
Îmbinarea curelelor cu elemente metalice, precum şi coaserea suprapusă, se
utilizează - în special - în cazul curelelor din fibre textile ţesute, aceste îmbinări
introducând şocuri şi vibraţii în transmisie, motiv pentru care viteza de funcţionare
a acestora este mai mică de 10m/s.
Roţile pentru transmisiile prin curele late, structura roţilor de curea diferă în
funcţie de dimensiunile acestora, în special de valoarea diametrului exterior D şi de
lăţimea b.
În vederea asigurării stabilităţii în funcţionare a curelei, suprafaţa activă a
roţilor de curea este prevăzută cu un bombament, a cărui valoare este reglementată
în STAS 6011-83.
161
Pentru transmisiile cu axe paralele şi viteză mai mare de 50 m/s, ambele
roţi sunt bombate, pentru transmisiile multiple nu se admit bombamente decât la
roţile care acţionează pe aceeaşi parte a curelei, celelalte roţi, vor fi fără bombament.
La transmisiile cu axe încrucişate, semiîncrucişate şi pentru viteze mai mici
de 20 m/s, roţile de curea nu vor fi prevăzute cu bombamentă.
Roţile de curea se execută din fontă de calitate sau din aliaje de aluminiu
rezistente, iar pentru v>40 m/s din oţel turnat sau în construcţie sudată.
Fig.4.3Îmbinarea curelelor late prin elemente metalice: a,b - cu agrafe, c,d - cu
eclise cap la cap, e - cu eclise prin îndoire, cu
şuruburi, f - prin îndoire, cu tiranţi.
Sisteme de tensionare a transmisiilor prin curele late - tensionarea
permanentă se face prin scurtarea curelei, respectiv prin mărirea distanţei dintre axe.
Metodele au dezavantajul că necesită periodic controlul stării de tensionare şi luarea
măsurilor necesare situării transmisiei în limitele condiţiilor iniţiale.
Cauza acestor intervenţii este apariţia unor alungiri remanente, sub efectul
sarcinii transmise şi stării de oboseală specifice materialului curelei.
În vederea unei compensări permanente a acestor alungiri remanente şi
totodată asigurării realizării permenente a performanţelor transmisiei prin curele, în
condiţiile unei mai raţionale adaptări a acesteia în funcţie de variaţiile momentului
rezistent, se utilizează sistemul de tensionare cu rolă acţionată prin
greutate.[9,12,18,20,35].
4.3.3 Transmisii prin curele trapezoidale şi dublu trapezoidale
Se disting o multitudine de tipuri în funcţie de forma geometrică a secţiunii
şi performanţele funcţionale, (puterea transmisă, viteză periferică limită,
flexibilitate etc.). [13]
162
Curelele trapezoidale clasice: Y, Z, A, B, C şi D, la care dimensiunile
caracteristice sunt date în STAS 1164/1-71, iar condiţiile de calitate în STAS
1164/2-79.
Curelele trapezoidale înguste: SPZ, SPA, SPB şi SPC, la care dimensiunile
geometrice sunt conform STAS 7192/2-83. Aceste tipuri de curele conferă avantajul
unei suprafeţe mărite de contact în canalul roţii, deci o mai mare rezistenţă la rupere,
comparativ cu curelele clasice.
Curelele trapezoidale speciale, la care forma concavă a flancurilor în stare
liberă oferă avantajul unei aşezări corecte în funcţionare şi, implicit, o durabilitate
superioară.
În vederea evitării vibraţiilor datorită funcţionării în paralel a mai multor
curele, precum şi a încărcărilor inegale ale acestora, s-au realizat curele concave
multiple monolite, cu două, trei, patru sau cinci curele în paralel.
Curelele dublu trapezoidale, asigură transmiterea mişcării în cazul
transmisiilor cu mai multe roţi conduse dispuse pe ambele părţi ale curelei
4.3.4 Transmisii prin lanţuri
Transmisiile prin lanţuri sunt larg utilizate în construcţia de maşini
prezentând, comparativ cu alte tipuri de transmisii, o serie de avantaje: arborii şi
lagărele transmisiei cu lanţ suportă numai reacţiunile datorate cuplului transmis,
lanţurile neimpunând o forţă de întindere la montaj, raportul constant de transmitere,
realizarea unor distanţe dintre axe relativ mari, fără a necesita investiţii suplimentare
ca în cazul transmisiilor prin roţi dinţate. [35]
Principalele dezavantaje ale transmisiei prin lanţuri derivă din efectul
poligonal datorat înfăşurării poligonale a zalelor pe periferia roţilor de lanţ.
Ca urmare a acestui efect şi a şocului ciocnirii dinte-rolă, transmisia prin lanţ este
mai puţin silenţioasă, permiţând o viteză periferică relativ mai mică. În plus, viteza
de mişcare a lanţurilor, în special în cazul unui număr mic de dinţi ai roţilor, nu este
riguros constantă, ceea ce produce o neuniformitate a turaţiei roţii conduse, chiar în
cazul unei turaţii constante a roţii conductoare.
.
4.4. Transmisii cardanice
4.4.1 Arbori cardanici
Prin transmisie cardanică se înţelege un ansamblul de organe de maşini
(articulaţii arbori, cuplaje de siguranţă,amortizoare,paliere intermediare, etc) care
constituie o unitate funcţianală independentă ce serveşte la transmiterea energiei
mecanice la distanţă, prin mişcarea de rotaţie, fără amplificarea momentului de
torsiune.[11]
163
Arborele transmisiei cardanice constituie unul dintre elementele principale
ale acestui mecanism, datorită rolului lui funcţional de a transmite la distanţă
momente de răsucire şi uneori forţe axiale (fig.4.4).
În general, arborele este format dintr-o piesă cilindrică şi piese auxiliare care
servesc pentru prinderea articulaţiilor. Pe baza diferitelor criterii cinematice şi
constructive sunt posibile diverse clasificări. Astfel, dacă transmisia cardanică nu
permite compensări axiale, arborii vor avea lungimea constantă, iar în caz contrar,
arborii vor avea lungimea variabilă.
Fig. 4.4 . Arbori cardanici tubulari.
În figura 4.4 este prezentat un arbore cardanic tubular de lungime constantă
în care furcile articulaţiilor sunt îmbinate prin sudură. Arborele reprezentat are
diametrul mărit în partea centrală, ceea ce asigură mărirea turaţiei critice la
încovoiere. Atunci când la turaţii mijlocii, sunt necesari arbori cardanici de lungime
mare se utilizează una dintre variantele prezentate în figură.
Arborele se execută secţionat pentru compensarea erorilor de montaj. Cele
două părţi ale sale sunt apoi legate printr-un cuplaj permanent. Cu astfel de arbori
se pot obţine, la montaj, compensări axiale până la 30 mm. În timpul funcţionării,
lungimea arborelui rămâne constantă.
Dacă în timpul funcţionării sunt necesare compensări axiale se utilizeză
arbori telescopici. În acest caz îmbinarea dintre capătul unui arbore şi butucul furcii
corespunzătoare se realizează, în general, prin caneluri.
164
În figura 4.5 sunt prezentaţi arbori telescopici a şi b, comform celor
prezentate anterior.
Fig. 4.5. Arbori telescopici şi arbori folosiţi în construcţia locomotivelor Diesel.
Arborele cardanic întâlnit în construcţia locomotivelor Diesel (fig.4.5, este
capabil să transmită momente de răsucire mari. Atunci când lungimea arborelui
telescopic este mai mare şi sunt necesare compensări axiale mari acesta se poate
executa din două bucăţi îmbinate prin sudură.
În cazul în care arborii cardanici lucrează în medii cu impurităţi îmbinarea
telescopică se realizează printr-un arbore profilat cu prevederea unor măsuri
speciale de protecţie.
165
4.5. Ambreiajul principal
4.5.1 Rolul şi condiţiile impuse ambreiajelor
Ambreiajul principal este un cuplaj cu rol de decuplare temporară şi cuplare
progresivă a motorului cu transmisia, necesare în următoarele situaţii:
pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin
pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin
creşterea progresivă a sarcinilor din organele transmisiei; [9,12,18,20].
oprirea temporară a tractorului cu motorul în funcţiune;
schimbarea treptelor de viteze;
demararea sau oprirea temporară cu motorul în funcţiune a maşinilor
staţionare acţionate de priza de putere dependentă;
limitarea valorii maxime a cuplului din organele transmisiei şi motorului în
cazul când rezistenţele exterioare ce acţionează asupra tractorului cresc exagerat
de mult.
Ambreiajului principal i se pun condiţii specifice de funcţionare precum:
siguranţă în transmiterea cuplului motor în orice condiţii de exploatare
decuplarea rapidă şi completă, deoarece un cuplu remanent îngreunează
schimbarea treptelor de viteze;
construcţia simplă şi raţională astfel ca momentul de inerţie al părţilor
conduse să fie minim uşurând schimbarea treptelor de viteze prin micşorarea
şocurilor din danturi;
echilibrarea dinamică şi lipsa forţelor laterale;
evacuarea uşoară a căldurii de la suprafeţele elementelor de frecare pentru
mărirea durabilităţii pieselor ambreiajului,
exploatare şi întreţinere uşoare prin posibilitatea manevrării comode a
montării şi demontării uşoare precum şi reglajele lor simple.
4.5.2 Procesul de demarare al tractorului
Pentru a pune în mişcare tractorul, după pornirea motorului, se decuplează
ambreiajul principal şi se cuplează treapta de viteze cu care se lucrează. Înainte de
a cupla ambreiajul, mecanismul de reglare a debitului de combustibil se fixează în
poziţia regimului de lucru. Debitul mărit de combustibil care intră în cilindri duce
la creşterea rapidă a turaţiei motorului până la valoarea corespunzătoare mersului în
gol şi se cuplează lin ambreiajul, motorul intrând progresiv în sarcină, permiţând
regulatorului să crească debitul de combustibil.
Tractorul porneşte din loc atunci când momentul de frecare al ambreiajului
îl egalează pe cel rezistent, în care ambreiajul are patinare totală. Această perioadă
este de ordinul fracţiunilor de secundă ajungând până la 1 - 15 s, depizând de
sarcină, lucrul mecanic de frecare fiind transformat în căldură. Prelungirea acestei
166
perioade conduce la deteriorarea ambreiajului prin supraîncălzire. Perioada
prezentată se consideră a fi prima perioadă de demarare.
Fig.4.6 Diagrama funcționării ambreiajului mecanic
A doua perioadă de demarare se caracterizează prin patinarea parţială a
ambreiajului, viteza unghiulară a elementelor conduse creşte permenent mărind
treptat viteza de deplasare a tractorului. Turaţia arborelui cotit al motorului se
reduce, datorită acţiunii de frânare a momentului de frecare al ambreiajului, de aceea
energia cinetică a motorului trebuie să fie suficientă pentru ca motorul să nu se
oprească. [9,12,18,20,35].
Perioada a treia începe la timpul când patinarea ambreiajului încetează,
vitezele unghiulare ale arborelui cotit al motorului devenind egale. Se egalează şi
momentele corespunzătoare părţilor conduse şi ale celor conducătoare, momentul
scăzând în continuare până la atingerea unei valori egale atunci când viteza
tractorului se stabilizează.
4.5.3 Ambreiaje simple
Ambreiajele simple realizează forţa de apăsare între suprafeţele de frecare cu
ajutorul unor arcuri montate pe partea frontală a discului de presiune sau utilizând
un arc central. [9,12,18,20,35].
În figura 4.6 ,a reprezintă schema de principiu a ambreiajului monodisc.
Partea conducătoare constituită din volantul 1, carcasa 2 şi discul de presiune 3 este
solidară la rotaţie cu arborele cotit al motorului. Între volant şi discul de presiune,
ce se poate deplasa axial cu ajutorul buloanelor 4, se montează discul condus 10,
fixat pe butucul 11 la rândul sau montat liber pe arborele canelat 8 al ambreiajului.
Pentru mărirea coeficientului de frecare, discul condus este prevăzut cu garnituri de
fricţiune. Prin apăsarea realizată de arcurile 9 se creează un moment de frecare între
suprafeţele aflate în contact încât cuplu motor de la volant se va transmite prin discul
de fricţiune la arborele ambreiajului.
167
Decuplarea se realizează apăsând pedala 7 a mecanismului de decuplare prin
deplasarea manşonului 6 care apasă pe pârghiile de decuplare articulate cu buloanele
4 ce retrag discul de presiune comprimând suplimentar arcurile.
Fig .4.6 . Scheme de ambreiaje simple normal cuplate:
a - cu un singur disc, b - cu mai multe discuri.
4.6 Cutia de viteze
4.6. 1Rolul şi clasificarea cutiilor de viteze
Rolul cutiilor de viteze. Cutia de viteze este necesară pentru: modificarea
momentului de răsucire la roţile motoare, respectiv a vitezei de deplasare a
tractorului adaptând astfel tractorul la condiţiile de lucru, obţinerea mersului înapoi
al tractorului şi staţionarea îndelungată a tractorului cu motorul în funcţionare.
[9,12,18,20,35].
Fundamentarea teoretică a rolului cutiei de viteze este aceea de a asigura un
număr suficient de trepte de viteză şi cu rapoarte de transmitere alese raţional trebuie
să asigure funcţionarea tractorului cu o înaltă economicitate şi productivitate, într-o
gamă de viteze dată.
În afară de aceasta, cutiei de viteze i se impun următoarele condiţii:
- construcţie simplă;
- greutate şi gabarit reduse;
- cuplare rapidă şi uşoară;
168
- fiabilitate şi mentenabilitate ridicată.
Clasificarea cutiilor de viteze, se poate face după mai multe criterii:
După felul modificării raportului de transmitere, cutiile de viteze se clasifică
în următoarele categorii:
- cutii de viteze în trepte;
- cutii de viteze progresive;
- cutii de viteze mixte, care prezintă o combinaţie a două din tipurile
precedente(de exemplu cutiile hidromecanice).
După felul acţionării, cutiile de viteze pot fi cu acţionare directă,
semiautomată şi automată. La cutiile de viteze cu acţionare directă, schimbarea
vitezelor se face direct de către utilizator cu ajutorul unor pârghii, folosindu-se de
energia sa musculară. La cutiile de viteze cu acţionare semiautomată, o parte din
operaţii sunt executate de tractorist, iar restul de mecanisme speciale care
utilizează o parte din energia motorului, ceea ce simplifică şi uşurează într-o
măsură însemnată efortul fizic al utilizatorului.
La cutiile de viteze cu acţionare automată, toate operaţiile, privind
acţionarea cutiei de viteze şi alegerea raportului de transmitere necesar, se fac fără
participarea tractoristului.
4.6.2 Cutii de viteze în trepte, la care schimbarea treptelor este însoţită de
întreruperea fluxului de putere
În prezent, la majoritatea tractoarelor agricole şi la multe din tractoare
industriale se folosesc cutii de viteze în trepte. Marea varietate a lucrărilor executate
de tractoare a impus mărirea numărului de trepte la cutiile de viteze, noile modele
de tractoare agricole fiind echipate cu cutii de viteze care asigură 8 - 16 trepte sau
chiar mai multe.
Clasificarea cutiilor de viteze în trepte poate fi făcută după mai multe criterii:
După schema cinematică: cu axe de rotaţie fixe, cu axe mobile.
După plasarea arborilor: cu arbori longitudinali sau transversali în raport cu axa
longitudinală a tractorului.
După modul de angrenare al roţilor: cu roţi baladoare, cu roţi cu angrenare
permanentă.
După numărul grupurilor de roţi dinţate baladoare: cu două, trei sau patru grupuri.
După numărul treptelor de viteze pentru mersul înainte şi pentru mersul înapoi.
Numărul treptelor de viteze de mers înapoi este mai mic în comparaţie cu numărul
treptelor de mers înainte, însă la cutiile de viteze cu inversor numărul treptelor de
mers înainte poate fi egal cu numărul treptelor de mers înapoi.
După modul de obţinere a mersului înapoi: cu una sau cu două roţi interme-
diare, cu inversor.
După modul de cuplare a treptelor: schimbarea treptelor este însoţită de opri-
rea tractorului, cuplarea treptelor făcându-se cu ajutorul roţilor baladoare sau
a mufelor de cuplare,schimbarea treptelor se face fără întreruperea fluxului de
169
putere cu ajutorul ambreiajelor de fricţiune şi uneori al frânelor.
Cutia de viteze cu doi arbori, se compune din arborele primar 1 şi secundar 2,
care transmite momentul la transmisia centrală. Diferitele trepte de viteze se obţin
prin cuplarea roţilor deplasabile de pe arborele secundar cu roţile corespunzătoare
de pe arborele primar.
Cutia de viteze realizează (5+1) trepte de viteze: cinci pentru mersul înainte şi
una pentru mersul înapoi. Raportul maxim de transmitere al acestor cutii de viteze
este icv < 3 iar la treptele folosite rar icv < 3-4. Cu ajutorul acestor cutii de viteze
este greu de obţinut un număr mai mare de 4 sau 5 trepte de viteze, întrucât trebuie
mărită lungimea arborilor, iar pentru a păstra rigiditatea trebuie mărit şi diametrul
lor.
Fig. 4.7. Scheme cinematice de cutii de viteze în trepte:
a,b - cu doi arbori, c - cu trei arbori, cu priză directă, d - cu trei arbori, fără priză
directă, 1 - arbore primar, 2 - arbore secundar, 3 - arbore intermediar, 4 – osie
pentru mers înapoi, 5 - roată baladoare pentru mers înapoi,6 - angrenaj permanent,
7 - roată baladoare.
Cutiile de viteze cu trei arbori au, în afară de arborele primar 1 şi secundar
2, un al treilea arbore - arborele intermediar 3. Acesta se află în legătură permanentă
cu arborele primar prin angrenajul 6. Aceste cutii de viteze pot fi cu priză directă şi
fără priză directă. Cele cu priză directă au arborele primar şi pe cel secundar aşezaţi
170
coaxial: capătul din stânga al arborelui secundar 2 se sprijină pe un rulment fixat în
capătul din dreapta al arborelui primar 1. Priza directă se realizează prin deplasarea
roţii 7 spre stânga. În acest caz, arborele primar şi cel secundar se rotesc cu aceeaşi
turaţie, iar arborele intermediar funcţionează în gol. Cu ajutorul cutiilor de viteze cu
trei arbori pot fi obţinute rapoarte de transmitere icv < 7.
Cutiile de viteze cu doi arbori au următoarele avantaje în comparaţie cu cele
cu trei arbori: randamentul mai ridicat (cu cca 2%), numărul redus de roţi , arbori şi
rulmenţi. Aceste cutii realizează însă rapoarte de transmitere mai mici.
Spre deosebire de automobile unde priza directă este obligatorie, la tractoare
această soluţie constructivă nu este obligatorie, întrucât tractorul poate lucra
frecvent în orice treaptă şi, prin urmare el trebuie să aibă randament bun la toate
treptele, din acest punct de vedere, cutiile de viteze cu doi arbori sunt de preferat.
4.7 Diferenţialul tractoarelor pe roţi
4.7.1 Rolul şi clasificarea diferenţialelor
Diferenţialul este componenta transmisiei care permite roţilor motoare să se
rotească cu viteze unghiulare diferite. În lipsa diferenţialului, în anumite condiţii de
deplasare ale tractorului apare între roţile punţii motoare o circulaţie de puteri.
Necesitatea diferenţialului apare în următoarele cazuri: [9,12,18,20,35].
când roţile motoare ale aceleiaşi punţi parcurg, în acelaşi timp, spaţii neegale;
când razele de rulare ale roţilor punţii motoare nu sunt egale.
Dacă roţile motoare ar fi montate pe acelaşi arbore, deplasarea tractorului în
condiţiile menţionate nu este posibilă fără alunecarea şi patinarea roţilor, ceea ce
conduce la: uzura rapidă a anvelopelor, creşterea consumului de combustibil,
sporirea solicitărilor din organele punţii, manevrarea mai dificilă a direcţiei şi
creşterea pierderilor mecanice.
Clasificarea diferenţialelor tractoarelor pe roţi se face după următoarele
criterii:
- locul de dispunere în transmisie;
- valoarea momentului transmis celor doi arbori planetari;
- construcţia şi principiul de funcţionare.
După locul de dispunere în transmisie se deosebesc diferenţiale dispuse între roţile
aceleiaşi punţi motoare şi diferenţiale dispuse între punţile motoare ale tractorului
cu patru roţi motoare.
După valoarea momentului transmis celor doi arbori diferenţialele pot fi simetrice
sau asimetrice. În cazul diferenţialelor simetrice momentul este distribuit în mod
egal celor doi arbori planetari, iar la diferenţialele asimetrice momentul se distribuie
celor doi arbori planetari într-un anumit raport (fig.4.8).
171
Fig. 4.8 . Diferenţiale simple cu angrenaje conice:a - simetric, b - asimetric, 1 -
coroana transmisiei centrale, 2 - carcasa diferenţialului, 3 - sateliţi simpli, 31
sateliţi dubli, 4 - pinioane planetare, 5 - transmisia finală.
După construcţie diferenţialele se clasifică astfel: cu angrenaje
conice, cu angrenaje cilindrice, cu angrenaje melcate şi cu came.
După principiul de funcţionare diferenţialele se clasifică în:
simple, blocabile şi autoblocabile
4.7.2Diferenţialul simplu simetric
La deplasarea tractorului în linie dreaptă dacă rezistenţele la rulare şi
aderenţa cu solul sunt aceleaşi la ambele roţi iar razele de rulare sunt egale arborii
planetari 1 şi 2 se rotesc cu aceeaşi viteză unghiulară ca şi carcasa diferenţialului
astfel încât sateliţii nu se vor roti în jurul propriilor axe, diferenţialul fiind blocat. În
acest caz momentul carcasei diferenţialului este transmis în părţi egale celor doi
arbori planetari. Din condiţia de echilibru dinamic a diferenţialului se poate scrie
următorul bilanţ de momente (fig.4.9) comform relaţiilor:
172
Fig. 4.9 . Schema cinematică a diferenţialului simplu simetric cu angrenaje
conice.
La deplasarea tractorului în viraj, vitezele unghiulare ale arborilor planetari
nu mai sunt egale. Acest lucru este posibil datorită diferenţialului, prin rotaţia
sateliţilor în jurul axelor proprii. [9,12,18,20,35].
În această situaţie, între vitezele unghiulare ale arborilor planetari şi viteza
unghiulară a carcasei diferenţialului, există relaţia dată de legea diferenţialului. În
cazul diferenţialului deblocat apar frecări între organele componente ale acestuia,
caracterizate prin momentul de frecare Mf , care se opune rotirii arborelui planetar
cu turaţie mai mare. Dacă se neglijează frecarea interioară din diferenţial, se poate
exprima că, şi în viraj, sau la patinarea parţială, diferenţialul simplu simetric
transmite celor doi arbori planetari momente egale.
Tractoarele prevăzute cu diferenţiale simple simetrice au forţele motoare ale
roţilor limitate de valoarea aderenţei. Dacă se consideră că roata motoare ce aparţine
arborelui planetar 1 se găseşte pe o porţiune de teren cu aderenţă scăzută atunci forţa
motoare Fms ce poate fi obţinută la această roată este limitată de aderenţă şi se
determină cu relaţia:
în care: Z2s este reacţiunea normală a solului asupra roţii,
r2 - raza dinamică a roţii motoare.
În cazul în care momentul M1 transmis arborelui planetar 1 dă naştere la o
forţă motoare Fms=M1if/r2 mai mare decât cea obişnuită, roata începe să patineze.
173
Ţinând seama de repartiţia momentelor la cei doi arbori planetari în cazul
diferenţialului simplu simetric rezultă că cealaltă roată, aflată pe un teren cu
aderenţă ridicată, nu va putea dezvolta o forţă motoare mai mare decât prima roată.
În consecinţă, valoarea forţei motoare, Fmd va fi limitată de cea a forţei Fms de la
roata cu aderenţă scăzută, adică:
Dacă suma rezistenţelor la deplasarea tractorului depăşeşte suma forţelor
motoare de la cele două roţi motoare (Fms + Fmd ), roata cu aderenţa scăzută va avea
o patinare totală, în timp ce roata cu aderenţă ridicată va înceta să se mai rotească,
iar tractorul se va opri. Rezultă că în cazul unui tractor echipat cu un diferenţial
simplu simetric forţa motoare realizabilă la puntea motoare nu poate depăşi dublu
valorii forţei motoare a roţii cu aderenţa cea mai scăzută. Pentru a înlătura acest
dezavantaj respectiv pentru a îmbunătăţi calităţile de tracţiune ale tractoarelor pe
roţi se folosesc diferenţiale cu blocare facultativă sau diferenţiale autoblocabile.
Cu ajutorul unui cuplaj M, montat între arborii 1 şi 2 ai roţilor motoare. La
deplasarea spre dreapta a manşonului cei doi arbori se unesc rigid între ei blocând
diferenţialul. Faţă de soluţia precedentă, cuplajul de blocare este mai solicitat, fiind
dispus după transmisia finală. Din acest motiv dimensiunile cuplajului sunt mai mari
iar acţionarea mai dificilă. [9,12,18,20,35].
- cu ajutorul un unui cuplaj M, montat între arborii suplimentari 1 şi 2, legaţi
cinematic cu arborii roţilor motoare (fig.4.9Arborii 1 şi 2 (folosiţi şi pentru montarea
frânelor) prin unirea cu cuplajul M blochează diferenţialul (fig.4.9).
Diferenţialele cu blocare facultativă prezintă următoarele dezavantaje:
- neautomatizarea intrării în funcţiune, astfel că realizarea avantajelor asigurate de
blocare sunt dependente de deprinderile şi calificarea tractoristului;
- necesitatea uni dispozitiv de acţionare care complică construcţia;
- conducerea tractorului este mai complicată;
- cuplarea manşonului de blocare este însoţită de şocuri.
Diferenţialele autoblocabile se caracterizează printr-o distribuţie neuniformă
a momentului carcasei la cei doi arbori planetari atunci când aceştia se rotesc cu
viteze unghiulare diferite. Astfel roata motoare cu aderenţă mai mare poate
transmite un moment mai mare decât roata cu aderenţă mai mică..
Diferenţialele autoblocabile se clasifică după principiul de funcţionare în:
- diferenţiale autoblocabile cu frecare interioară mărită;
- diferenţiale autoblocabile cu cuplaje unisens.
Diferenţialele autoblocabile cu frecare interioară mărită se bazează pe rolul
pe care îl are frecarea interioară asupra distribuţiei momentului la cei doi arbori
planetari. Tendinţa de creştere a turaţiei unuia din arborii planetari este frânată de
momentul de frecare interioară.
Din punct de vedere constructiv se deosebesc următoarele tipuri de
diferenţiale cu frecare interioară mărită:
- cuplaje cu fricţiune;
174
- angrenaje melcate sau cu came şi tacheţi.
Proprietăţile de blocare ale diferenţialului se apreciază printr-un coeficient
de blocare definit ca valoare maximă a raportului dintre momentul M2 ( transmis
roţii motoare cu turaţie mai redusă) şi momentul M1 (transmis roţii motoare cu
turaţie mărită):
Din aceste relaţii rezultă că arborele planetar al roţii cu viteză unghiulară mai
mică este cu atât mai încărcat faţă de arborele planetar cu viteză unghiulară mai
mare cu cât coeficientul de blocare are o valoare mai mare.
175
BIBLIOGRAFIE
1. Abăităncei. D şi colab.- Motoare pentru automobile şi tractoare. Vol. I şi
II. Editura Tehncă Bucureşti. 1978- 1980
2. Aramă C. ş.a- Instalaţii pentru alimentarea cu combustibil a motoarelor
cu ardere intrenă. Editura Tehnică. Bucuresti 1966.
3. Bazovsky , I. Fiabilité. Théorie et pratique de la surété de fonctionnement.
Paris, Dunod, 1966
4. Boţan. , N.V, C.- Acţionarea electrică a mecanismelor cu volantă.
Bucureşti . Ed Tehnică. 1987
5. Bekker. M.G.- Introduction to terrain – n. The University of Michigan
Press, 1987.
6. Buzea I. şi colab. Îndrumătorul mecanicului agricol. Ed. Ceres, Bucureşti
1980.
7. Buzdugan Gh. şi Blumenfeld M. Calcul de rezistenţă al pieselor de
maşini.Bucureşti, Ed. Tehnică, 1979.
8. Bobescu, Ghe. Şi colab. – Motoare pentru automobile şi tractoare. Vol. II.
Dinamică, calcul şi construcţie. Chişinău . Ed Tehnică. 1998
9. Cioclov D. Rezistenţă şi fiabilitate la solicitări variabile. Timişoara, Ed.
Facla, 1975.
10. Drujinim G. V. Siguranţa în funcţionare a sistemelor. Bucureşti, Ed.
Tehnică, 1968.
11. Drăghici I. şi colab. Îndrumări de proiectare în construcţia de maşini.
Bucureşti, Ed. Tehnică, 1981.
12. Dumitrescu. I. şi colab. – Exploatarea tractorului U- 1010 DT. Editura
Ceres. Bucureşti 1987.
13. Keleman, A. – Actionări electrice. Bucureşri. Ed. Didactică şi Pedagogică,
1979
14. Ireson G. W. Reability HandbooK. New York, 1966.
15. Ionescu Enache şi colab – Trctoare şi automobile. Vol I şi II. Universitaria
din Braşov. 1979
16. R. Mărdărescu şi colab – Motoare pentru automobile şi tractoare.
Bucuresti Ed. Didactică şi Pedagogică 1968.
17. Mc. Cool I. Multiple comparison for weibull parameters în IEE
Transactions on reliability 1975.
18. Mihăţoiu, I. şi colab. – Tractoare. Editura Ceres. Bucureşti 1989.
19. Niculescu D. Siguranţa în funcţianare a maşinilor, aparatelor, utilajelor
şi instalaţiilor tehnologice 1973.
20. Năstăsoiu, S. Popescu, S. Şi calob. Tractoare. Editura Didactică şi
Pedagogică. Bucuresti. 1983.
21. Negrescu, N. ş.a. – Motoare cu ardere internă. Curs universitar. Bucureşti.
Vol II. IV. 1985-1988
176
22. Oprean A. şi colab Fiabilitatea maşinilor unelte. Bucureşti, Ed. Tehnică,
1979.
23. Popescu, S. şi colab.- Automatizarea maşinilor şi isntalaţiilor agricole.
Îndrumar de lucrări practice. Universitatea din Braşov1985
24. Rădulescu Gh. şi colab Îndrumari de proiectare în construcţia de maşini.
Bucureşti, Ed. Tehnică, 1986.
25. Seracin, E. – Actionări electrice. Timişoara. Litografia Inst. Politehnic.
1980.
26. Sărăcin, I. – Motoare şi tractoare. Craiova. Reprografia Universităţii din
Craiova.1997
27. Sărăcin I. Baza energetică pentru agricultură. Craiova, Ed. Universitaria,
2000.
28. Sărăcin I. – Baza energetică pentru agricultură. Motoare. Craiova. Editura
Europa. 1999
29. Stratulat, M. Şi Copae, I. Alimentarea motoarelor cu aprindere prin
scănteie. Vol. I şi II. Editura Tehnică. Bucureşti. 1992.
30. Şandru, A. Popescu, S. Şi colab. – Exploatarea utilajelor agricole. Ed.
Didactică ş Pedagogică. Bucureşti.1981
31. Toma D. – Tractoare şi maşini agricole. Ed. Didactică şi Pedagogică.
Bucureşti. 1981
32. Tănăsoiu T. Şi colab – Echipamente de injecţie pentru motoare cu admisie
internă. Editura Tehnică. Bucureşti. 1984
33. Tecuşan M. Şi Ionescu En. – Tractoare şi automobile. Editura Didactă şi
Pedagogică. Bucureşti.1982
34. Ţopa I. – Automatizarea acţionărilor electrice. Litografia Universităţii
Bucureşti. 1982
35. Untaru M. – Dinamica autovehiculelor pe roţi. Editura Didactică şi
Pedagogică. Bucureşti .1981.
36. *** Colecţia revistelor de specialitate
- Agrartechnik
- Kraftverkchr
- Tractorâ I selkoymaşini
- Tehnika v sekohoziaistva
- Automobile Engineer
177