1. MEMORIU TEHNIC

1.1 Obiective

Fig.1 Schia unui arbore cotit

Proiectul prevede construcia i funcionarea arborelui cotit n cadrul motoarelor cu ardere intern, precum i calcule n vederea dimensionrii, verificrii prilor componente ce compun piesa studiat. Totodata lucrarea de fa conine informaii privind rolul funcional, tipuri i variante constructive sub forma unei clasificri, cerine tehnice impuse n fabricare i reparare i posibile mbuntairi ale variantei alese propuse studiului.Condiiile actuale de mediu, care prevd reducerea consumului de combustibil n vederea reducerii emisiilor polante, impun mbuntairea i tehnologizarea continu a pieselor autovehiculelor pentru atingerea acestui scop. Avnd n vedere acest fapt, n proiectarea arborilor cotii trebuie ca metodele de fabricare, reparare, ntreinere i diferitele tipuri de materiale s aib un impact redus asupra mediului (un exemplu fiind: n anul 2008 scopul proiectrii i dezvoltrii arborilor cotii este de a reduce n medie emisiile de CO2 de la 190 g/km la 140 g/km, pentru un consum de combustibil de circa 5.7 litri/100 km [1]).n vederea creterii turaiilor arborelui cotit se ia n considerare masa acestuia, determinat de tipul materialului folosit. Astfel proiectarea unei astfel de piese dintr-un material cu proprieti mecanice ridicate dar cu mase sczute, are ca efect eliminarea forelor de inerie, de valori considerabile, obinndu-se viteze unghiulare ridicate.Un alt obiectiv important ce trebuie luat n calcul, constituie sigurana n funcionare. Astfel c o pies aflat n micare de rotaie, care transmite fore i momente trebuie s aib o micare uniform, echilibrat din punct de vedere dinamic, s fie sprijinit n lagre de rostigolire i o lubrifiere corespunztoare ce permite realizarea fin a micrii i reducerea regimului termic de funcionare. Din punctul de vedere a rezistenei materialului din care este confecionat, acesta trebuie s ndeplineasc condiiile necesare pentru a elimina apariia pericolului de distrugere a arborelui cotit i totodata nu trebuie sa prezinte defecte interne care ar putea duce la micorarea duratei de via.Toate aceste obiective trebuie realizate ntr-un mod n care raportul dintre energia consumat realizrii i preul de fabricare s fie optim, dar care garanteaz calitate n funcionare, precum i durata de via a produsului s respecte circuitul economic mondial.

1.2. Rol

Arborele cotit transform micarea de translaie a pistonului ntr-o micare de rotaie i transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de fora de presiune a gazelor. La motoarele policilindrice arborele cotit nsumeaz lucrul mecanic produs de fiecare piston aflat n cilindru i-l transmite utilizatorului. Arborele cotit antreneaz n micare unele sisteme auxiliare ale motorului. [2]1 Fig. 2 Elementele funcionale ale unui arbore cotit [1]- flan2 - fus maneton (se articuleaz cu biela)*3 - contragreuti4 - fus palier (fus de reazem) **5 - canale pentru alimentarea cu ulei a fusurilor paliere i manetoane6 - racordare7 - teitur

*fusuri manetoane- un ansamblu de suprafee cilindrice excentrice cu aceeai cot dar n plane diferite**fusuri paliere- un ansamblu de suprafee cilindrice coaxiale pe care arborele cotit se sprijinElementele de legtur ntre fusurile paliere i cele manetoane se numesc braele arborelui.

Partea arborelui cotit, prevzut cu flana (1) se fixeaz de volantul motorului, iar pe partea opus sunt prinse diferite piese (n general asamblate cu pan) care servesc pentru sistemele auxiliare (ex: sistemul de distribuie, alimentarea alternatorului). Fusurile manetoane (2) sunt poriunile pe care vin prinse capurile de biel, ntre acestea existnd elemente de fixare numite cuzinei. Datorit faptului c arborele cotit este prevzut cu 3 axe, fizic nelegndu-se automat existena unor excentriciti, care n micare de rotaie dau natere la vibraii torsionale, se adopt o metod constructiv prevzut cu contragreuti (3) pentru a echilibra dinamic micarea. Pentru asigurarea continuitii peliculei de ulei pe suprafaa fusurilor manetoane i paliere sunt efectuate canale circulare (5) care confer ungerea optim.

1.3. Cerine

Durata de via a unui arbore cotit este influenat de: Rezistena materialului la oboseal n urma solicitrii de ncovoiere (punctele slabe fiind concentrate n trecerea de la fusurile manetoane la braele arborelui) (Fig.3) Rezistena materialului la oboseal n urma solicitrii de torsiune (punctele slabe ntlnindu-se des n canalele de alimentare cu ulei a fusurilor manetoane i paliere ) Comportarea materialului n urma solicitrilor de vibraii torsionale (un factor important n acest domeniu reprezint rigiditatea materialului, efectul acestor solicitri constnd n apariia zgomotului n funcionare) Rezistena la uzur, n special dintre fusurile manetoane i cuzinei Uzura garniturilor de etanare a arborilor cotii [1]

Fig.3 Prile principale ale arborelui cotit i deformarea acestuia sub aciunea forelor

Cerinele actuale impuse n fabricarea arborilor cotii iau n considerare tipurile de solicitri menionate anterior, cum c acetia trebuie s prezinte caracteristici mecanice deosebite, deoarece odata cu dezvoltarea tehnologiei, trendul este ca arborii cotii sa reziste la turaii i momente mari.De aceea datorit importanei lor n mecanismul motor, la execuie se impune o nalt precizie dimensional i de form i de poziie reciproc a suprafeelor. Precizia de execuie a tuturor dimensiunilor arborilor se nscriu n clasele V-VIII ISO, iar pentru diametrul fusurilor se impune ntotdeauna clasa V. Precizia formei geometrice este ridicat admindu-se conicitate cuprins ntre 0.01 i 0.015 mm. Precizia formei geometrice a axelor de simetrie se admite cu abateri de la concentricitate, cuprins ntre 0.025 i 0.035 mm (pentru toate palierele i manetoanele coplanare).Abaterea de la ovalitate cuprins ntre 0.006 i 0.015 mm. Abaterea de la paralelism 0.015 i 0.025 mm. Duritatea superficial a fusurilor cuprins ntre 52 i 62 HRC pe o adncime optim de 1.5 pn la 3 mm. Precizia poziiei unghiularea a braelor arborelui, care influeneaz direct autoechilibrarea mtorului, se impune cu abateri maxime cuprinse ntre 1.5o i 2.5o. Rugozitatea fusurilor este ntre 0.4 i 0.8 mm. Dezechilibrarea arborelui se admite cu cel mult 5% din masa acestuia.[4]Toate aceste date reflect importana arborelui cotit n buna funcionare a mecanismului motor. n cazul n care nu se respect datele tehnice impuse, media apariiilor erorilor este sporit ceea ce duce la distrugerea acestui mecanism. Spre exemplu, nerespectarea preciziei de execuie a arborilor are ca efect neuniformitatea micrii de rotaie care la rndul ei produce uzura n lagre, manifestndu-se prin apariia vibraiilor torsionale. Odata ce aceste efecte se fac simite erorile de funcionare se transmit mai departe i la celelalte sisteme auxiliare care vin n contact direct cu arborele cotit, un exemplu fiind dereglarea parametrilor sistemului de distribuie ceea ce implica modificarea avansului la producerea scnteii (n cazul MAS). Totodata materialul din care este confecionat arborele cotit trebuie s prezinte duritatea necesar pentru a elimina pericolul uzrii. Posibilitate de uzare a acestuia apare la nivelul lagrelor, datorit impuritilor abrazive existente n uleiul de ungere, la articularea bielei pe fusurile manetoane, soluia constructiv n acest caz fiind utilizarea cuzineilor confecionai din materiale mai puin dure dect materialele cu care vine n contact (un criteriu fiind i cel economic, cum c piesa prelucrat cel mai ieftin s se uzeze prima.)n cazul uzrilor, a fusurilor i cuzineilor exista o serie de cerine care pot duce la evitarea acestui fenomen, cum ar fi: calitatea suprafeelor fusurilor s fie asigurat corespunztor, asigurarea montajului corect a arborelui i bielelor, rigiditate sufiecient a arborelui sau a blocului, funcionarea motorului s nu se desfoare n suprasarcin o perioad ndelungat de timp iar filtrarea uleiului s fie una corespunztoare pentru a mpiedica nfundarea orificiilor de ungere.n caz contrar exist posibilitatea de apariie a trepidaiilor motorului si uzura prematur.n cazul n care coaxialitatea i paralelismul suprafeelor nu este corespunztoare, apare fenomenul de uzare rapid a cuzineilor, dereglarea distribuiei i zgomote puternice n funcionare. Cerinele impuse arborilor cotii pentru prevenirea unor astfel de situaii sunt: asigurarea jocului corespunzator la montaj fr ca acesta s depeasc limitele admise, dozajul s fie uniform astfel nct s nu existe fore diferite de presiune a gazelor care duc la o micare dezechilibrat a arborelui cotit. Cazul extrem de deteriorare al arborilor cotii este ruperea acestora. Cerine necesare pentru evitarea acestui caz sunt: solicitrile de ncovoiere ce acioneaz asupra arborelui s nu depseasc valori anormale, acestea fiind cauzate i de coaxialitate necorespunztoare sau rigiditate insuficient a arborelui. Totodat concentratorii de tensiune trebuie eliminai prin realizarea unor teituri sau raze de racordare. Prezentul caz are ca i efect oprirea motorului nsoit de avarierea altor piese.[3] 1.4. Funcionaren urma arderii combustibilului, energia chimic a acestuia este transformat n energie mecanic,fiind preluat de capul pistonului, iar presiunea gazelor care acioneaz pe toat suprafaa acestuia, pune n micare mecanismul motor facnd posibil rotaia arborelui cotit.

Fig. 4 Canalele de alimentare cu ulei a fusurilor manetoane i paliereDeoarece arborele cotit efectueaz o micare de rotaie, trebuie luat n calcul importana ungerii fusurilor acestuia. Astfel, regimul de ungere a fusurilor este aproape ntotdeauna un regim hidrodinamic, deoarece fusurile se deplaseaz n acelai sens, cu viteze ridicate. Uleiul sub presiune este adus la fiecare palier, printr-o conduct- magistrala de ulei- practicat n carter. n unele cazuri magistrala de ulei o constituie chiar arborele cotit. Uleiul sub presiune ajunge la fusurile maneton numai prin canale care traverseaz braul i fusurile; canalele de ulei constituie concentratori de tensiune. [2]

1.5. Materiale [1]

Arborii cotii pot fi fabricai prin turnare sau forjare. Cotele pri ale singurelor metode de producie a acestora pentru anul 1993, sunt aduse la cunotin n Tabelul 1. n ultimii ani, procentul arborilor cotii fabricai prin forjare are o alur cresctoare, datorit creterii cerinelor motoarelor Diesel i datorit tendinelor de dezvoltare a momentului motor spre valori ridicate.Necesitatea reducerii emisiilor de CO2 i a consumului de carburant, va conduce din ce n ce mai mult folosirea motoarele pe benzin supraalimentate, care n prezent folosesc i este de asemenea preferat s fie echipate cu arbori cotii obinui prin forjare.

AutoturismeForjatTurnat

Europa de Vest11.33.18.2

Japonia60.355.65

USA8.54.753.75

Lume34.1--

Tabelul 1.Camioane AutobuzeForjatTurnat

Europa de Vest1.250.850.4

Japonia4.94.00.9

USA2.752.10.65

Lume13.1--

Proprietile materialelor arborilor cotii sunt prezentate conform celor doua tabele:

FontRezisten la traciuneRm (N/mm2)Rezistena de curgereRp0.2(N/mm2)AlungireA (%)DuritateHBPrelucra-bilitatePrelucrare ulterioar

NitrurareLaminare/ RulareClire prinCIF

GJS-600-36003703200-250foarte bunbunf. bunsczut

GJS-700-27004202230-280foarte bunbunf. bunbun

GJS-800-28005002250-300bunbunf. bunbun

OelRezisten la traciuneRm (N/mm2)Rezistena de curgereRp0.2(N/mm2)AlungireaA (%)PrelucrabilitatePrelucrare ulterioar

NitrurareLaminare/ RulareClire prinCIF

C38N2780-900>450>12bunbunbunfoarte bun

C38mod820-1000>550>12bunbunbunfoarte bun

37Cr4880-1030>620>11sofisticatbunsczutfoarte bun

37Cr4V850-950>650>14sofisticatbunsczutfoarte bun

42CrMo4V980-1100>850>12sofisticatbunsczutfoarte bun

Avantajele arborilor cotii turnai fa de cei forjai:

arborii cotii obinui prin turnare sunt ca pre de producie, semnificativ mai ieftini dect cei fabricai prin forjare materialele turnate se comport foarte bine n procesul de prelucrare a suprafeelor, ceea ce poate avea ca efect creterea rezistenei la vibraii. Spre exemplu rezistena la oboseal n urma solicitrii de ncovoiere n regiunea razelor de racordare din poriunea de tranziie a braelor arborelui se va majora semnificativ. arborii cotii obinui prin turnare sunt executai cu caviti, din acest motiv fiind cu pn la 1,5 kg mai uori dect cei forjai. n mod normal prelucrarea arborilor cotii turnai reprezint o metod mai simplist.Prelucrarea acestora se realizeaz cu mai puine treceri ale sculelor prelucrtoare i nu mai trebuie curate, iar teiturile n zona braelor arborelui cotit pot fi realizate mai uor. n unele pri ale acestor brae se poate renuna deseori la aceste prelucrri.

1.6. Clasificare

Arborii cotii reprezint o categorie special de arbori, caracterizai prin existena a 3 axe ce definesc structura lor. Criteriile de clasificare ale arborilor pot fi menionate precum:

A. Dup tipul construciei: montabili demontabili [2]B. Dup condiia de funcionare: funcie de numrul punctelor de rezemare -static determinai (ntre reazeme)-static nedeterminai (n afara reazemelor) funcie de comportarea la vibraie:-rigizi (cnd turaia arborelui nu depete valoarea turaiei critice)-elastici (turaia arborelui este mai mare dect turaia critic) funcie de tipul de solicitare:-arbori de torsiune-arbori solicitai compus la torsiune i ncovoiere (solicitri de tipul + ce pot fi rezolvate cu ajutorul teoriilor de rupere din cadrul Rezistenei Materialelor) funcie de poziia n care lucreaz:-orizontal-vertical-nclinatC. Dup poziia acei de sprijin-fici (arbori de sprijin)-variabili (arbori flexibili)-fusuri i pivoi [7]

1.7 Variante similare

Pentru studiul arborelui cotit s-au ales 3 tipuri de autovehicule din aceeai clas concurenial. Performanele acestor autovehicule sunt prezentate astfel:

Volkswagen Golf 4 1.9 TDI capacitate cilindric: 1896 cm3 putere dezvoltat de motor: 77 kW (105 CP) la 4000 rpm moment maxim: 250 Nm la 1900 rpm viteza maxim: 187 km/h alezaj x cursa: 79.5 x 95.5 mm tip anvelop: 195/65 R 15 H [10]

Skoda Octavia 1.9 TDI capacitate cilindric: 1896 cm3 puterea dezvoltat de motor: 77 kW (105 CP) la 4000 rpm moment maxim: 250 Nm la 1900 rpm viteza maxim: 192 km/h alezaj x cursa: 79.5 x 95.5 mm tip anvelop: 195/65 R 15 T [8]

Seat Leon 1.9 TDI capacitate cilindrica: 1896 cm3 putere dezvoltat de motor: 81 kW (110 CP) la 4150 rpm moment maxim: 235 Nm la 1900 rpm viteza maxim: 193 km/h alezaj x cursa: 79.5 x 95.5 mm tip anvelop: 195/65 R 15 H [9]

Varianta aleas pentru a fi studiat este arborele cotit al autoturismului Volkswagen Golf 1.9 TDI.

2. MEMORIU JUSTIFICATIV DE CALCUL

Fig.5 Arbore cotit al autoturismului Volkswagen Golf 1.9 TDI

Fig.6 Dimensiunile elementelor unui cot

Volkswagen Golf 4 1.9 TDI capacitate cilindric: 1896 cm3 putere dezvoltat de motor: 77 kW (105 CP) la 4000 rpm moment maxim: 250 Nm la 1900 rpm viteza maxim: 187 km/h alezaj x cursa: 79.5 x 95.5 mm tip anvelop: 195/65 R 15 H [10]