Bolţul

Analiza funcţională a bolţului

Bolţul este elementul component al mecanismului motor (v. fig. 3.2), care stabileşte legătura mecanică dintre piston şi bielă (fig. 5.207), face posibilă mişcarea relativă a celor două repere (organ de articulaţie) şi transmite forţa de presiune a gazelor de la piston la bielă. Bolţul este de forma unui cilindru cav şi se mai numeşte axul pistonului. Din necesitatea ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului, bolţul se montează cu joc, fie în piston, fie în bielă, fie simultan în ambele organe.

În timpul funcţionării, datorită forţelor cu caracter variabil care acţionează, bolţul execută o mişcare alternativă de translaţie pe direcţia axei cilindrului. Totodată, ca urmare a acţiunii forţelor de frecare, bolţul execută şi o mişcare de rotaţie parţială sau totală, în afara cazului când e fixat în umerii pistonului. Când bolţul se prevede cu joc atât în piston cât şi în bielă (bolţ flotant), după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă, fiind antrenat în mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile.

La motoarele de autovehicule, bolţul lucrează în condiţii grele de solicitare mecanică, fiind încărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston.

El transmite forţe variabile ca mărime şi sens. Aceste forţe variază între 1.000 şi 20.000 daN şi provoacă încovoierea bolţului în plan longitudinal (fig. 5.208. a) şi deformarea în plan transversal - deformarea de ovalizare (fig. 4.208. b, c). Primele solicitări de încovoiere produc ruperea bolţului în plan transversal iar solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului în plan longitudinal (fig. 5.208. b).

În perioada arderii violente, forţele de presiune înregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc a bolţului. Această solicitare este cu atât mai mare cu cât jocul în timpul funcţionării este mai mare. Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală a bolţului. Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă înaltă la solicitările de încovoiere variabile şi cu şoc.

Bolţul dezvoltă la rândul lui, forţe de inerţie care încarcă organele mecanismului motor. De aici rezultă o altă cerinţă: masa bolţului să fie cât mai redusă.

În afara acestor solicitări, în timpul funcţionării, bolţul este supus uzării intense datorită dificultăţilor de ungere care determină un regim termic ridicat (80...100 ºC), datorită deformaţiilor şi şocurilor care întrerup pelicula de ulei, mai ales în cazul jocurilor mari.

Astfel, nivelul regimului termic al bolţului - nivel care are un rol hotărâtor asupra ungerii - se limitează pe mai multe căi şi anume: prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem, prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor, prin intensificarea alimentării cu ulei a îmbinării, prin îmbunătăţirea calităţii lubrifiantului, prin mărirea rigidităţii bolţului.

Fig. 5.207. Bolțul – organ de articulație

1 – piston; 2 – bolț;3 - biela

Fig. 5.208. Deformațiile bolțului în timpul funcționării

Întrucât mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ, cu viteze periferice reduse (circa 1m/s) nu se poate realiza ungerea în regim hidrodinamic. Pe de altă parte alimentarea cu ulei se face cu dificultate şi are în general un caracter discontinuu; ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere.

Deformarea de ovalizare a bolţului produce nu numai ruperea lui dar şi a piciorului bielei (v. fig. 5.219. g), iar deformarea de încovoiere produce ruperea locaşurilor bolţului din piston în secţiunea A-A (v. fig. 5.208. a). Din cauza deformării de încovoiere între suprafeţele de contact, apare o repartiţie neuniformă a presiunii pe lungimea îmbinării şi ca urmare o distribuţie variabilă a uzurii (fig. 5.209).

Uzarea bolţului şi zgomotul sunt intensificate, în prezenţa jocurilor, de solicitarea prin şoc. După un anumit timp de funcţionare, apar bătăi metalice caracteristice (bătaia bolţului - care se manifestă în exterior printr-un zgomot înfundat de intensitate constantă), care avertizează asupra jocului inadmisibil apărut în îmbinare (uzură exagerată). Jocul prea mic în timpul

funcţionării împiedică formarea peliculei de ulei iar jocul prea mare amplifică şocul.

Când se respectă riguros jocurile de montaj (de exemplu 5...10 m la piciorul bielei şi 3...7 m la umerii pistonului) şi se asigură o ungere suficientă, bolţurile se uzează puţin. Pentru asigurarea unor condiţii normale de funcţionare, faţă de construcţia bolţului se impun următoarele cerinţe:

– masă redusă, deoarece participă la forţele de inerţie;

– rezistenţă înaltă la încovoiere şi la şoc;

– rezistenţă ridicată la uzură pentru suprafaţa de lucru;

– rezistenţă corespunzătoare la oboseală;

– deformare minimă.

Soluţii constructive pentru bolţ

Constructiv bolţul este tubular, putând fi realizat în diferite variante (fig. 5.210). Forma sa este impusă de considerente de masă, rigiditate şi fabricaţie. Cea mai utilizată este forma cu secţiune constantă (a) fiind şi cea mai simplă soluţie tehnologică. Întrucât deformaţia maximă de încovoiere apare în secţiunea centrală, iar cea de ovalizare se produce într-o zonă centrală, reprezentând circa 20% din lungi-

mea bolţului, o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică în trepte a suprafeţei interioare (b şi c), ceea ce este avantajos şi pentru forfecare.

La motoarele cu turaţie ridicată, din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (2...5 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri, la care ruperile longitudinale de ovalizare sunt cele mai frecvente. La motoarele Diesel se utilizează în schimb bolţuri cu pereţi groşi (8...13 mm), care se rup mai frecvent în plan transversal. Pentru a se mări rigiditatea bolţului, acestea se confecţionează sub forma unui

Fig. 5.209. Distribuția uzurii pe suprafața exterioară a bolțului

Fig. 5.210. Diferite tipuri de bolțuri

solid de egală rezistenţă (d), dar soluţia creează dificultăţi tehnologice. O combinare a soluţiilor b şi d o reprezintă varianta constructivă din figura 5.210. e.

Construcţia bolţului depinde în mare măsură de tipul îmbinării piston-bolţ-bielă, îmbinare care se poate realiza prin trei metode distincte de montaj.

1) Bolţ fix în umerii pistonului şi liber în piciorul bielei. Montajul, deşi elimină ungerea bolţului în locaşurile din piston, fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul (fig. 5.211. a) sau prin presare forţată la cald, produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii (în cazul fixării cu şurub), măreşte masa îmbinării şi rebuturile. În plus, se măreşte lungimea piciorului bielei iar bolţul devine mai puţin rigid. Soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule.

2) Bolţ fix în piciorul bielei şi liber în umerii pistonului. Soluţia (fig. 5.211. b) se realizează prin construcţia elastică a bielei, fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin strângerea îmbinării cu un şurub, fie prin montaj cu strângere (se încălzeşte piciorul bielei la 240...280 ºC). Prin această metodă, se reduce lungimea bolţului deoarece se elimină ungerea în piciorul bielei şi se micşorează dezaxarea bielei, reducându-se astfel uzura şi nivelul zgomotelor. Soluţia cu şurub are o aplicare mai restrânsă preferându-se presarea bolţului în bielă.

3) Bolţ flotant reprezintă soluţia de îmbinare care asigură deplasarea liberă a bolţului în timpul funcţionării atât în umerii pistonului cât şi în piciorul bielei. Are cea mai mare utilizare deoarece prezintă cea mai mică uzură atât pe lungime cât şi pe circumferinţă. Uzura redusă este determinată de micșorarea aproximativ la jumătate a vitezelor relative dintre suprafețele ȋn contact ȋn comparație cu celelalte tipuri, precum şi de faptul că după un număr de cicluri are loc rotirea completă a bolţului ceea ce mediază uzura pe periferie. Soluţia are însă dezavantajul că, la acelaşi joc în umerii pistonului, dezaxarea bielei se dublează faţă de montajul bolţului fix (fig. 5.212), întrucât se cumulează dezaxările bolţului în toate locaşurile lui.

În cazul bolţului flotant, apare posibilitatea deplasării axiale a acestuia, situaţie ce cauzează producerea de rizuri pe oglinda cilindrului - rizuri care compromit etanşarea. Mişcarea axială a bolţului se limitează pe două căi. Metoda cea mai răspândită constă în fixarea unor inele elastice de siguranţă (din oţel de arc), de secţiune circulară sau dreptunghiulară, în şanţurile practicate în locaşurile din piston (fig. 5.213. a). Inelele de siguranţă împiedică trecerea frontală a uleiului pe suprafeţele bolţului din locaş şi, în plus, locaşurile de secţiune dreptunghiulară produc o concentrare mare de tensiuni. Aceste dezavantaje sunt înlăturate prin intermediul unor capace (fig. 5.213. b) sferice la exterior, confecţionate din

Fig. 5.211. Procedee de montaj a bolțului

Fig. 5.112. Dezaxarea bielei la montajul flotant

material uşor şi moale (aliaj de Al sau Mg), care nu limitează deplasarea axială dar previne contactul dintre bolţul cu duritate mai mare şi cilindrul cu duritate mai mică (procedeu utilizat mai ales la motoarele Diesel).

Pentru ungerea bolţului se utilizează mai multe posibilităţi:

– ceaţa de ulei care se formează sub capul pistonului ajunge în spaţiul dintre piciorul bielei şi locaşurile bolţului din piston şi se întinde pe suprafeţe prin interstiţiul creat de jocuri (fig. 5.214. a);

– ungerea se realizează de asemenea prin mişcarea alternativă de translaţie a bolţului în limitele jocului, care produce pomparea uleiului de la partea superioară la partea inferioară a locaşului (fig. 5.214. b).

– pentru intensificarea ungerii, uleiul este adus printr-un orificiu practicat în piciorul bielei (v. fig. 5.211. a).

Când bolţul este puternic solicitat, aceste soluţii se dovedesc a fi nesatisfăcătoare. În acest caz uleiul este adus sub presiune de la capul bielei printr-un canal practicat în piciorul bielei sau printr-o conductă exterioară. Când bolţul este fix în piciorul

bielei, se practică orificii în locaşurile din piston, alimentate de ceaţa de ulei sau de uleiul raclat de segmenţi.

Materiale pentru bolţ

Confecţionarea bolţului pentru piston se realizează din bare laminate. În urma tratamentului termic, bolţul trebuie să aibă un miez tenace pentru a rezista la solicitările prin şoc şi o duritate mare a suprafeţei exterioare pentru a rezista la uzură. Aceste cerinţe rezultă din considerentele că un material tenace (în toată masa sa) are o deformare mare - ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate - şi o rezistenţă mică la rupere - ceea ce nu corespunde solicitărilor de încovoiere şi oboseală. Se obţin astfel soluţii de compromis dacă se asigură o tenacitate ridicată miezului (35...44 HRC) şi o duritate ridicată (55...65 HRC) stratului superficial.

Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt oţelurile carbon de cementare cu conţinut redus de carbon (0,12...0,35%) şi oţelurile aliate având ca elemente de aliere Cr, Ni, Mn, Mo.

Prin tratament termochimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit. Tratamentul de cementare fiind o operaţie scumpă, se înlocuieşte cu călirea superficială prin CIF, pe o adâncime de 1,0...1,5 mm.

Pentru bolţurile cu solicitare medie se utilizează oţel carbon de calitate (mărcile: OLC 15, OLC 20, OLC 45, OLC 60, 15CO8/15Cr3) care prin cementare (adâncimea stratului de 0,5...1,5mm) atinge duritatea de 58...62 HRC. Când se utilizează oţeluri slab aliate cu crom (mărcile: 18MC10/16MnCr5, 15CN15/15CrNi6, 21MoMC12), după cementare, duritatea stratului superficial ajunge la 58...64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100...120 daN/cm2. Prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 15...20%, iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 35...45%. Soluţiile sunt posibile numai când grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă, care se stabileşte astfel încât secţiunea transversală a miezului să fie 70...75% din secţiunea totală.

Fig. 5.213. Fixarea axială a bolțului flotant

Fig. 5.214. Ungerea bolțului prin ceață de ulei (a) și pompaj (b)

(5.90)

(5.89)

Principalele condiţii tehnice se referă la respectarea preciziei dimensionale şi de formă. Ovalitatea şi conicitatea suprafeţei exterioare nu trebuie să depăşească 0,015mm. Se impune ca rugozitatea să fie de 0,04 m.

Calculul bolţului

Calculul bolţului cuprinde dimensionarea acestuia (situaţie în care trebuie să se aibă în vedere trei criterii: masă redusă, presiuni specifice mici, rigiditate sporită) şi calculele de verificare (care au ca scop verificarea solicitărilor mecanice şi a deformaţiilor, a rezistenţei la uzură, precum şi precizarea jocurilor de montaj).

Dimensionarea bolţului (fig. 5.215), în general, se realizează pe baza datelor statistice (tab. 5.27).

Verificarea bolţului se face ţinându-se cont că acesta este încărcat de o forţă convenţională F (conform figurii 5.215), dată de forţa de presiune a gazelor Fpg (v. rel. 5.3) şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston Fip (v. rel 5.6).

Tabelul 5.27

Dimensiuni constructive pentru dimensionarea bolţului

Dimensiunea Motor DieselDiametrul exterior deb, în mm (0,30÷0,38)DParametrul α = dib/deb 0,52÷0,58

Lungimea de contact, lb, în mmBolţ flotant

(0,32÷0,42)D

Bolţ fix (0,27÷0,32)D

Lungimea bolţului, Lb, în mmBolţ flotant

(0,80÷0,87)D

Bolţ fix (0,88÷0,93)D

În secţiunea transversală apar solicitări de încovoiere, care produc deformarea bolţului după axa longitudinală. Solicitări de încovoiere apar şi în secţiunea longitudinală: deformare şi ovalizare.

Verificarea la încovoiere. Efortul unitar maxim de încovoiere se produce datorită momentului încovoietor maxim, la mijlocul bolţului. Forţa care se ia în considerare în acest caz este F = Fpgmax-Fipmax (se calculează luându-se în considerare masa pistonului propriu-zis şi a segmenţilor). Pentru calculul de încovoiere, în cazul motoarelor rapide, schema a din figura 5.215. cu forţe concentrate nu este satisfăcătoare. Schema b, în care bolţul este considerat o grindă simplu rezemată încărcată cu două forţe concentrate în locaşurile din piston şi sarcină uniform distribuită în piciorul bielei, reflectă insuficient condiţiile reale. Deoarece corespunde distribuţiei de uzură în lungul bolţului (v. fig. 5.209), schema c este mai raţională. Pentru calcul, se utilizează totuşi schema d, care este mai simplă.

Momentul încovoietor (d) în secţiunea mediană a bolţului este:

M i=F(Lb+0,5 lb+4 j )12

.

În aceste condiţii, efortul unitar maxim de încovoiere este:

σ i=F (Lb+0,5 lb+4 j )

1,2deb3 ( 1−α 4 )

<σa .

În cazul oţelurilor aliate a = 2.500...5.000 daN/cm2, iar pentru oţelurile carbon a = 1.200...1.500 daN/cm2.

(5.92)

(5.91)

(5.91)

Verificarea la încovoiere cuprinde şi determinarea coeficientului de siguranţă în condiţiile solicitării variabile.

În cazul bolţului flotant încărcarea variază după ciclul simetric, iar pentru determinarea coeficientului de siguranţă se utilizează relaţia:

c1=σ−1

σ ia

βk

εγ

=1. .. 2,2 ,

în care: σia este amplitudinea efortului unitar, σia = (σimax – σimin)/2; valorile lui σimax şi σimin determinându-se din relaţia 5.90, pentru valorile maxime şi minime a lui F; βk – coeficientul efectiv de concentrare la sarcini variabile (k = 1); = 0,8...0,9; γ –coeficientul stării suprafeţei (1,1...2,5).

Pentru bolţul fix în piciorul bielei, ciclul este asimetric, iar coeficientul de siguranţă se calculează cu relaţia:

c2=1

βk

εγ

σ ia

σ−1

+ψσ im

σ−1

=2. .. 4 ,

în care : este coeficientul tensiunilor ( = 2 -1 /0 - 1);

σim – efortul unitar mediu; σim = (σimax + σimin)/2.

Verificarea la forfecare. Efortul unitar la forfecare se determină în secţiunile situate în jocurile dintre locaşurile bolţului din piston şi piciorul bielei (fiind secţiunea cea mai solicitată), pe baza formulei lui Jurawski:

τ=0 ,85 F ( 1+α+α2 )

d eb2 ( 1−α 4 )

,

având valori admisibile:

τa = 1.500...2.200 daN/cm2 pentru oţel aliat şi τa = 800...1.200 daN/cm2 pentru oţel carbon.

Fig. 5.215. Schema pentru calculul bolțului

Fig. 5.216. Repartiția sarcinii la ovalizare

(5.94)

(5.96)

(5.97)

(5.95)

Calculul la ovalizare. Pentru calculul la ovalizare se presupune că bolţul reprezintă o grindă curbă în secţiunea transversală, încărcată cu o sarcină distribuită sinusoidal p = p0sin (fig. 5.216).

Solicitarea de ovalizare apare în secţiunea longitudinală (b). Deoarece ipoteza nu este riguros exactă, rezultatele se corectează majorând forţa F cu un coeficient K ce depinde de raportul dimensiunilor . Valorile extreme ale eforturilor unitare în punctele caracteristice 1, 2, 3, 4 (fig. 5.217. a) se determină cu relaţiile:

σ 1=F

Lb deb

ξ1;

σ 2=− FLb deb

ξ2;

σ 3=− FLb deb

ξ3;

σ 4=F

Lb deb

ξ4 ,

unde valorile funcţiilor ξ sunt reprezentate grafic împreună cu coeficientul de corecţie K în raport cu în figura 5.217. b. Se acceptă tensiuni admisibile σa=1.500...2.500 daN/cm2. Repartiţia grafică a eforturilor unitare (v. fig. 5.217. a) arată că valorile cele mai mari de compresiune sunt în punctele 2 iar cele de întindere în punctele 4.

Deformaţia maximă de ovalizare (creşterea maximă a diametrului) se determină cu relaţia:

Δδ max=0 ,09 F

IE ( 1+α1−α )

3

K ,

fiind limitată de griparea bolţului (∆ δmax<∆b

,

2), unde jocul

diametral la cald ‘b=(0,0005...0,001)deb.

Verificarea la uzură. Această verificare constă în determinarea presiunilor specifice în piciorul bielei:

pb=F

deb lb

< pba

şi în locaşurile din piston

pp=F

2 deb Lu

< ppa ,

valorile admisibile fiind pba = 400...900 daN/cm2 şi ppa = 250...500 daN/cm2. În general, între lungimea bosajelor pistonului Lu şi lăţimea piciorului bielei (lungimea bucşei bielei) lb există relaţia 2Lu = (1,1...1,3) lb.

Pe baza acestor considerente, diametrul exterior al bolţului se poate determina cu relaţia:

Fig. 5.217. Variația eforturilor de ovalizare în bolț (a) și valorile funcțiilor

ξ și a coeficientului K (b)

(5.98)

(5.99)

(5.100)

deb=F

Lb−2 j ( 1pb

+1pp

) .

Jocul de montaj al bolţului. În cazul bolţului flotant, jocul de montaj se determină astfel încât în timpul funcţionării să se evite bătaia bolţului şi să se asigure, în acelaşi timp, rotirea acestuia.

În piciorul bielei jocul la cald nu diferă practic de jocul de montaj deoarece temperatura piciorului bilelei şi temperatura bolţului au valori apropiate; la aceasta se adaugă faptul că cele două organe sunt confecţionate din acelaşi material.

În locaşurile bolţului din piston dilatările sunt diferite mai ales când pistonul este confecţionat din aliaj de aluminiu.

Notând cu tb temperatura bolţului în timpul funcţionării (tb150 ºC) şi cu t0 temperatura la montaj, atunci diametrul bolţului în timpul funcţionării (la cald) va fi deb[1+b(tb-t0)].

Dacă se notează cu b jocul diametral la montaj, în piston, diametrul locaşurilor la rece va fi (deb + b), iar la cald (deb + b) [1+p(tp-t0)].

Jocul la rece se obţine din condiţia ca diferenţa dintre cele două diametre la cald să fie egală cu jocul la cald ‘b, adică:

Δ'b=(deb+Δb) [ 1+α p (t p−t0) ]−deb [ (1+αb ( tb− t0 )) ] ,

de unde:

Δb=Δ'b+deb [ α b (t b−t 0)−α p (t p−t 0) ]

1+α p ( t p− t0 ) .

Pentru pistonul din fontă jocul la rece este întotdeauna pozitiv (b=7...9 m).

În cazul pistoanelor din aliaje uşoare, jocul este pozitiv sau negativ. Astfel, la pistoanele din aluminiu jocul este aproape întotdeauna negativ (deoarece Al>OL şi tp>tb).

Când bolţul este flotant, aceasta înseamnă că la rece, ajustajul lui în locaşurile din piston trebuie să fie cu strângere. În acest caz, pentru a permite funcţionarea la pornire, bolţul se montează cu joc în piciorul bielei.

Când bolţul este fix în piciorul bielei, funcţionarea la pornire este posibilă numai dacă bolţul se montează cu joc în locaşurile din piston.

Jocul bolţului flotant în piciorul bielei variază între 0,005...0,03 mm, pentru motoarele de autoturism fiind de 3...6 m.