Mecanismul motor

Părţile mobile ale mecanismului motor constituie aşa numitul ambielaj.Acest ansamblu este constituit din următoarele elemente:piston, bielă si arbore cotit.

Fig.1. Organele mobile ale mecanismului motor: a) 1- piston; 2,3,4- segmenti;5-bolt; 6-biela; 7- cuzineti biela; 8,9-surub si piulita capac biela;b) 1- arbore cotit; 2-volant; 3,4,5- cuzineti palier; 6- cuzinet axial; 7- rulment [9].

1. Ansamblul piston.

Ansamblul piston este constituit din:piston, segmenţi, bolţ, siguranţe.

1.1.Pistonul.

Pistonul reprezintă peretele mobil al camerei de ardere, elementul care face posibilă destinderea gazelor arse şi preluarea forţei dezvoltate de acestea.În cadrul mecanismului motor, pistonul îndeplineşte următoarele funcţiuni:

-preia forţa dezvoltată de gazele arse şi o transmite prin intermediul bolţului la bielă;-descarcă la pereţii cilindrului reacţiunea normală Fn primită de la bielă;

-asigură etanşarea în dublu sens a camerei de ardere: într-un sens împiedică pierderea presiunii gazelor din cilindru şi în sens invers împiedică pătrunderea uleiului în camera de ardere;-asigură preluarea unei părţi din căldura dezvoltată în cilindru în timpul ciclului motor;-asigură împreună cu segmenţii realizarea pe pereţii cilindrului a unei pelicule continue şi uniforme de ulei.

Pentru a face faţă acestor cerinţe, pistoanele trebuie să îndeplinească o serie de calităţi:-asigurarea unei rezistenţe statice şi dinamice la solicitările care apar în mecanismul motor, atât la rece, cât şi la temperaturile dezvoltate în timpul funcţionării motorului;-asigurarea unor coeficienţi de frecare mici, care să ducă la un randament mecanic mare şi la uzuri ale pistonului mici, deci asigurarea unei fiabilităţi corespunzătoare a motorului;-realizarea din aliaje cu mase specifice mici în timpul funcţionării.

Pistoanele se realizează de obicei prin turnare şi mai rar prin matriţare din aliaje de aluminiu cu siliciu numite siluminuri sau din aliaje cu cupru cunoscute sub denumirea de aliaje Y.

Zonele importante ale pistonului:calota (capul) pistonului, regiunea port segment; mantaua sau fusta pistonului (fig.1.1.1).

a Fig.1.1.1.Elementele pistonului [13].

În fig. 1.1.1, a si b, sunt prezentate forme constructive de pistoane utilizate la MAS, iar în fig 1.1.2 si 1.1.3, sunt figurate forme de pistoane utilizate la MAC cu injecţie directă.

Calota pistonului este partea superioară a acestuia, partea care se află în contact direct cu camera de ardere preluând atât presiunea produsă de gazele arse cât şi temperatura acestora.

Ea este realizată de cele mai multe ori plană, deoarece se uzinează uşor şi în acest caz suprafaţa de contact cu gazele fierbinţi este minimă, deci, căldura preluată de la

acestea este minimă. Prezintă dezavantajul unei rezistenţe specifice reduse la solicitarea dată de presiunea gazelor, ceea ce conduce la realizarea unor pereţi cu grosimi ceva mai mari în dreptul calotelor.

Pentru a mări rigiditatea capului pistonului şi a favoriza evacuarea căldurii, partea interioară a lui se nervurează.

Calotele bombate (1.1.1, b) au o rezistenţă specifică crescută datorită efectului de boltă ce apare la solicitarea dată de presiunea gazelor şi, deci, grosimea peretelui calotei este mai mică; de asemenea, raportul de comprimare realizat

a b c Fig.1.1.2, a-piston cu canal de racire pentru motoare V6 TDI [23]; b,c-pistoane rotunde sau ovale pentru motoare Kubota acoperite cu sulfura de molibden MoS2, pentru reducerea frecarilor liniare dintre piston si oglinda cilindrului; sunt reduse si scaparile de gaze in baia de ulei[35].

Pistonul are o forma tronconica, pentru a putea prelua diferentele mari de temperatura care se dezvolta in timpul combustiei pe capul pistonului, in raport zona port segmenti si fusta pistonului unde temperaturile sunt mai mici. Forta generata de presiunea gazelor este distribuita pe o suprafata mare, reducand efortul in boltul pistonului. Presiunea mare de combustie din cilindru de 160 bar, face ca solicitatea termo-mecanica a pistonului sa fie mare. Din aceasta cauza, in corpul pistonului au fost facute canalizatii de racire pentru ulei (fig.1.1.2,a). In aceste canalizatii uleiul ajunge prin stropire din conductele montate in rampa centreala de ulei care este plasata in blocul motor[ 23]. Rezultatul este racirea continua a pistonului si mentinerea constanta a temperaturii pe capul pistonului in timpul lucrului, pentru a evita aparitia gripajelor pistoanelor in cilindrii.

Calotele concave se utilizează în special la pistoanele de MAC cu injecţie directă, în cazul cărora în calota pistonului se află o parte a

camerei de ardere, a cărei formă depinde de sistemul de aprindere utilizat (fig. 1.1.3,a,b).

Figura 1.1.3, a,b. [9,13]La MAC cu injecţie indirectă, calota este totdeauna plată. Regiunea portsegment

este zona pistonului care conţine canalele în care se montează segmenţii de etanşare şi de ungere. Numărul acestor canale este de 3-4 la MAS şi de 4-6 la MAC.Mantaua pistonului este zona în care se realizează ghidarea pistonului în cilindru. Ea conţine şi umerii(bosajele) în care se montează boltul (fig.1.1.1.). Pe această zonă pistonul transmite la cilindru forţa transversală N pe care o primeşte de la bielă (fig.1.1.4.).

Fig.1.1.4. Repartitia presiunii pe suprafata mantalei pistonului: a- pe inaltime; b- pe circunferinta.

Mantaua se poate realiza într-o construcţie elastică, caz în care aceasta conţine un decupeu în formă de T, cu tăieturi înclinate faţă de generatoarea pistonului, tăieturi ce asigură posibilitatea compensării dilatării pistonului, precum şi asigurarea unor jocuri funcţionale corecte la toate temperaturile ce apar în timpul exploatării motorului.

1.2. Segmenţii

Segmenţii sunt piese de formă inelară care se montează în canalele pistonului şi care, prin elasticitate proprie, apasă pe oglinda cilindrului realizând etanşarea acestuia, precum şi realizarea unei pelicule de ulei uniforme şi continuie. Segmenţii preiau o parte din cantitatea de căldură primită de piston de la gazele fierbinţi pe care o transmit cămăşii de cilindru, care la rândul ei este răcită prin intermediul cămăşii de lichid a sistemului de răcire.

Segmenţii care asigură etanşarea gazelor se numesc segmenţi de compresiune, iar cei care controlează pelicula de ulei de pe cilindru se numesc segmenţi de ungere(raclori).

Segmenţii de etanşare au rolul de a asigura izolarea corectă a camerei de ardere faţă de restul motorului, de a participa la realizarea peliculei de ulei, precum şi la răcirea motorului.

Fig. 1.2.1. Efectul de pompaj al segmentilor de compresie [9, 13].

Ca fenomen secundar la functionarea segmentilor de compresie apare fenomenul de pompaj, care se intensifica in cazul in care jocul segmentului in canalul pistonului este mare (fig.1.2.1,b). In figura 1.2.1,a este prezentata evolutia descresterii presiunilor in camera de ardere de-a lungul regiunii portsegment.

Fig.1.2.2. Diferite tipuri de segmenti de compresie si de ungere folositi la MAS si MAC[5,13]

Pentru a avea o fiabilitate corespunzătoare, în special faţă de solicitările ce provoacă uzura abrazivă şi corozivă, segmenţii de etanşare se realizează din fontă cenuşie perlitică cu grafit lamelar sau fontă modificată cu structură perlitică cu grafit nodular, simplă sau aliată.În fig.1.2.2,a,b,c,d sunt prezentate câteva secţiuni de segmenţi de etanşare care sunt utilizate mai des.

Segmenţii de ungere sunt ceva mai laţi decât cei de etanşare. Ei au rolul de a asigura distribuţia uleiului pe suprafaţa cămăşii cilindrului, precum şi răzuirea surplusului din fantă.Au în partea centrală un diametru mai mic şi ferestre realizate prin frezare ce permit trecerea uleiului dinspre partea exterioară spre interior sau invers (fig1.2.2,e,f,g,h).

O altă soluţie constructivă este confecţionarea lor din oţel, fiecare segment fiind constituit din 3 elemente separate: 2 tălpi din tablă simplă între care se află un element

spaţial numit expandor (omidă), realizat tot din tablă de oţel şi care creează depozitul de ulei, precum şi posibilitatea trecerii uleiului din exterior spre interior şi invers(fig.1.2.2,i).

Segmenţii de ungere primesc uleiul sau îl evacuează prin perforaţiile existente în canalul în care se montează. Aici uleiul ajunge prin stropire de la rampele secundare de ungere, iar surplusul de ulei este evacuat prin aceleaşi canale şi se scurge apoi în baia de ulei(fig.1.2.3,a,b).

Fig. 1.2.3, a,b [9,13].

1.3.Bolţul

Bolţul este elementul de articulare al ansamblului piston-segmenţi la bielă. Are o formă simplă, cilindrică, tubulară. Este supus la solicitări de încovoiere datorate presiunii gazelor şi a forţelor de inerţie, dar şi la solicitări de forfecare în planul existent între bielă şi umerii bosajelor pistonului. Solicitarea de forfecare apare în special datorită funcţionării detonante a motorului atunci când se produc creşteri rapide ale presiunii din cilindru şi are loc schimbarea rapidă a sensului solicitării.

Materialele care satisfac cerinţele impuse de solicitările menţionate mai sus sunt oţelurile carbon şi oţelurile aliate cu Cr, Mo, Ni, tratate termic prin cementare, pentru obţinerea unei durităţi mari a suprafeţei exterioare necesare pentru a rezista la uzură şi la solicitări cu şoc.

În funcţie de modalitatea de fixare axială a bolţului faţă de piston, există teoretic trei posibilităţi constructive:

a) Prima soluţie se numeşte bolţ flotant şi dă posibilitatea acestuia să se rotească atât faţă de bielă, cât şi faţă de piston (fig.1.3.1, a). Fixarea axială se face cu elemente de siguranţă montate în canalele existente în alezajul de montare a bolţului (fig.1.3.2,a,b).

Soluţia prezintă avantajul unei uzuri uniforme a bolţului datorită rotirii lui în timpul funcţionării, costul este ceva mai mic datorită toleranţelor de prelucrare ceva mai mari, precum şi montarea-demontarea uşoară.

Dezavantajele soluţiei constau în funcţionarea ceva mai zgomotoasă a ansamblului datorită existenţei a două jocuri(bolţ-piston şi bolţ-bielă) care se însumează la schimbarea sensului de deplasare. Un alt dezavantaj îl constituie necesitatea existenţei unei bucşe din material cu proprietăţi antifricţiune în piciorul bielei, acolo unde se montează bolţul. Articulaţia bolţ-bielă trebuie unsă. Captarea se face cu o mini pâlnie practicată în piciorul bielei, în partea sa superioară (vezi fig.1.3.2,a).

Fig.1.3.1. Asamblarea boltului cu biela si pistonul [9,13] Fig.1.3.2 [9].

Fig.1.3.3. Diferite sectiuni de bolt[9].

A doua soluţie constă în realizarea bolţul fix faţă de piciorul bielei, articularea făcându-se între bolţ şi umerii pistonului. Fixarea axială se face prin realizarea unui ajustaj cu strângere între bolţ şi bielă. Avantajele soluţiei constau în funcţionarea mai silenţioasă datorită existenţei unui singur joc în articulaţie, nu mai este necesară bucşa din metal antifricţiune în piciorul bielei şi, de asemenea, nu este necesară ungerea ansamblului bolţ-bielă.

Dezavantajele soluţiei constau în montarea-demontarea mai dificilă a ansamblului bolţ-bielă (prin încălzire), cât şi în costul mai mare impus de toleranţele de fabricaţie foarte strânse.

c) A treia soluţie ar consta în realizarea unui bolţ fix faţă de piston şi articulat faţă de bielă. Soluţia nu se poate realiza deoarece prin încălzire pistonul de aluminiu se dilată mai mult decât bolţul din oţel şi îl eliberează, iar ea este neconvenabilă, deoarece necesită bucşe antifricţiune în piciorul bielei şi ungerea acestui ansamblu.

2. Ansamblul bielă

Ansamblul bielă asigură transmiterea eforturilor de la piston la arborele cotit şi participă la transformarea mişcării rectilinii-alternative a pistonului în mişcarea de rotire a arborelui cotit. Ansamblul este constituit din bielă, capacul bielei şi cuzineţi(fig.2.1).

Biela este constituită din capul bielei-partea articulată la manetonul arborelui cotit(fig.2.1 poz.5),piciorul bielei-partea articulată la bolţul pistonului (poz.1) şi corpul bielei care este partea centrală, de legătură între cele două articulaţii(poz.3).

Biela este unul din cele mai solicitate elemente ale motorului. Forţa dată de presiunea gazelor, precum şi forţele de inerţie solicită biela la compresiune(fig.2.2,a), flambaj (fig.2.2,b) şi încovoiere (fig.2.2,d), iar forţele de inerţie creează şi solicitări de întindere (fig.2.2,c). Compresiunea tinde să scurteze biela, flambajul deformează paralelismul axelor producând uzuri suplimentare în lagărele de articulare, întinderea provoacă ovalizarea capetelor bielei, iar excentricitatea bolţului(fig.2.2,c) datorată jocurilor mari duce la momente de încovoiere suplimentare.

Bielele se realizează prin matriţare din oţeluri de calitate, tratate termic prin călire şi revenire pentru a putea face faţă solicitărilor sus menţionate.

Lungimea bielei influenţează uzura motorului.Piciorul bielei este un lagăr de alunecare care articulează prin intermediul bolţului

biela la piston. Dacă în acest lagăr se montează un bolţ flotant, atunci este prevăzut cu o bucşe din metal cu proprietăţi antifricţiune(fig.2.3,a,b,c).

Corpul bielei (tija bielei) are o secţiune în formă de dublu T pentru a avea un moment de inerţie maxim, necesar bielei la solicitările axiale şi de încovoiere în cele două planuri (fig.2.2).

Capul bielei este de cele mai multe ori un lagăr de alunecare cu capac, prevăzut cu semicuzineţi, care articulează biela la fusul manetonal arborelui cotit. Planul de secţionare a capului bielei poate fi normal la axul ei, sau cu plan de secţionare înclinat.

Capacul capului bielei face pereche permanentă cu biela, fiind neinterschimbabil. Preluarea finală se face cu capacul montat şi fixat prin strângerea la valoarea nominală a şuruburilor lui de fixare.

Fixarea capacului pe corpul bielei se face cu ajutorul unor şuruburi de construcţie specială, având un filet cu pas mărunt pentru micşorarea tendinţei de deşurubare. Materialul din care sunt făcute este un oţel de calitate, iar după strângerea la momentul prescris sunt asigurate împotriva desfacerii cu elemente de siguranţă.

Centrarea capacului pe corpul bielei se face fie cu ajutorul unei zone calibrate pe şuruburile de strângere, fie cu bucşe de centrare aflate în zona găurilor şuruburilor de fixare, fie cu suprafeţe de centrare plane sau zimţate ca în fig.2.4.

Fig.2.1.[9,13] Fig.2.2.[9,13]

Fig.2.3.Solutii constructive pentru piciorul bielei[13]. Fig.2.4. Capul bielei[5]

3. Arborele cotit

Arborele cotit este elementul final al mecanismului motor, cel de la care se preia energia dezvoltată de motor sub formă de mişcare de rotaţie.

Asupra arborelui cotit acţionează solicitările transmise prin intermediul bielelor, care creează solicitări de întindere, compresiune, încovoiere şi răsucire la care se adaugă vibraţii torsionale. Aceste solicitări pot provoca deformarea arborelui cotit determinând uzuri în zona fusurilor, oboseala materialului şi în cazuri extreme, ruperea arborelui cotit.

Arborele cotit se prezintă sub forma unei înşiruiri de fusuri amplasate axial şi denumite fusuri palier (fig.3.1 poz.1)- prin intermediul cărora se sprijină în lagărele din carterul superior al blocului motor-fusuri excentrice denumite fusuri maneton, în număr egal cu numărul de cilindrii(2)- pe care se articulează bielele, - şi braţe, care fac legătura între fusurile palier şi fusurile maneton(3).La unele tipuri de arbori cotiţi există braţe duble(4) care fac legătura între două fusuri maneton. Pe arborele cotit se mai află contragreutăţile(5) dispuse în prelungirea braţelor (3) pe partea opusă a manetoanelor.

Pentru a asigura ungerea în regim hidrodinamic a lagărelor maneton în braţele arborelui cotit sunt practicate canale de scurgere(6) care preiau uleiul sub presiune de la lagărele palier şi îl transmit manetoanelor.

Capătul anterior al arborelui cotit este prevăzut cu flanşa(7) pe care se montează volantul motorului, iar pentru a împiedica ieşirea uleiului prin capetele arborelui cotit în afara semeringurilor se mai realizează şi deflectorul de ulei(8) care împiedică stropirea directă a elementelor de etanşare.

Contragreutăţile pot face corp comun cu arborele cotit-soluţie utilizată la motoarele mici şi mijlocii-sau pot fi detaşabile, fixate cu şuruburi pe braţele arborelui cotit.

Arborele cotit este o piesă cu un înalt grad de precizie dimensională, de formă şi de poziţie reciprocă a diferitelor părţi componente, cu o rugozitate strictă în zona fusurilor palier şi maneton, precum şi cu o foarte bună echilibrare statică şi dinamică.

În figurile 3.1 şi 3.2, sunt prezentate două soluţii constructive de arbore cotit pentru motor cu patru cilindrii: în prima arborele este cu trei paliere, iar în a doua este cu cinci fusuri palier.

Arborii cotiţi demontabili se utilizează la motoarele de mare viteză şi putere mică sau, în cazul motoarelor răcite cu aer când se folosesc cartere de tip tunel. În acest caz, braţele se montează pe rulmenţi cu role, ceea ce reduce lungimea arborelui şi frecarea în lagăre.

Fig.3.1.[9,13]

Fig.3.2.[9,13]

Fig.3.3. Sistemul de echilibrare cu doi arbori suplimentari antrenati de areborele cotit [ 20 ]

In figura 3.4, sunt prezentate trei solutii constructive pentru capatul posterior al arborelui cotit.

Fig. 3.4. Elementele capului postrior al arborelui cotit : a) 1- pinionul de distributie fixat cu pana; 2- fulia transmisiei cu curele trapezoidale pentru antrenarea pompeio de apa si ventilatorului ; 3- racul care permite actionarea manuala la pornirea motorului ; 5( fig.3.34,c) atenuatorul de vibratii alcatuit din doua mase concentrate intre care se afla un element elastic[9,13].