UNIVERSITATEA DIN ORADEAFACULTATEA DE INGINERIE MANAGERIAL I TEHNOLOGICSPECIALIZAREA AUTOVEHICULE RUTIEREDISCIPLINA: CALCULUL I CONSTRUCIA MOTOARELOR CU ARDERE INTERN

PROIECT

CALCULUL SI CONSTRUCIA UNUI M.A.I.

COORDONATOR TIINIFICSTUDENT Conf. Dr. Ing. Mitran Tudor Pacalu Bogdan GabrielGrupa: 242 B

ORADEA

TEMA DE PROIECT

S se realizeze calculul de dimensionare al unui motor cu ardere intern avnd urmatoarele specificaii tehnice: Tipul autovehiculului: autoturism Tipul motorului: M.A.S. Puterea motorului: Pe = 110[kW]; Turaia la puterea maxim: np= 6500 [rot/min]; Cursa pistonului: S=101 [mm]; Diametrul pistonului: D=93 [mm]; numrul de cilindri: i=4 in linie;

I. CALCULUL CINEMATIC I DINAMIC AL MECANISMULUI BIEL-MANIVEL1. CINEMATICA MECANISMULUI BIEL-MANIVEL

Deplasarea pistonului se poate calcula cu ajutorul relaiei:

[m](1.1)Unde:S cursa pistonuluir distana de la axa de rotaie a arborelui la axa fusului maneton, numit raza manivelei.

[m] (1.2)

[m] unghiul de rotaie al arborelui cotitb unghiul de rotaie al arborelui cotit unghiul dintre biel i axa cilindrului

Se alege (1.3)Din relaia (1.3) rezult:

[m](1.4)

[m]

Se alege .Se observ c deplasarea pistonului variaz de la valoarea sp=0 pentru =0 RA (pistonul n p.m.i. la nceputul cursei de admisie) pn la valoarea Sp=S pentru =180 RA (la sfritul cursei de admisie cnd pistonul ajunge n p.m.e.), apoi scade din nou pn la valoarea zero la sfritul cursei de comprimare. Variaia deplasrii pistonului se repet pentru urmtoarele dou curse ale pistonului (vezi fig. 1.3).

Fig 1.1 Variatia deplasarii pistonului.

Viteza pistonului se stabilete derivnd expresia deplasrii pistonului n raport cu timpul. Astfel expresia exact a vitezei pistonului va fi:

[m/s] (1.5)

Unde: - viteza unghiular. Expresia de calcul a vitezei unghiulare este urmtoarea:

[rad/s] (1.6)

Unde: - turaia la putere maxim.

Turaia la putere maxim a motorului din tema de proiect este: rot/min.nlocuind turaia n expresia vitezei unghiulare, relaia (1.6), se va obine:

[rad/s]

Acceleraia pistonului se determin prin derivarea expresiei vitezei pistonului n raport cu timpul. Astfel derivnd expresia (1.5) se obine expresia exact a acceleraiei:

(1.7)Deoarece biela execut o micare complex de translaie i de rotaie, se consider c o parte din masa bielei este concentrat n punctul de articulaie cu bolul (mBp) i execut o micare alternativ de translaie solidar cu grupul piston, iar restul (mBm) este concentrat n punctul de articulaie cu fusul maneton i execut o micare de rotaie cu viteza unghiular a arborelui cotit (fig. 1.2).

Fig 1.2 Organizarea maselor in corpul bielei.

mB=mBp+mBm [kg](1.8)mB=0,27+0,73=1 [kg]Unde: mB [g] masa total a bielei

(1.9)

S-a constatat experimental c:mBp=0,275.mB=0,2750,62=0,27 [g](1.10)mBm=0,725.mB=0,7250,62=0,73 [g] ap [m/s2] acceleraia pistonuluiFora de inerie a maselor n micare de rotaie este:

FR=-mR.r.2 = [N](1.11) Unde: mR [kg] masa componentelor aflate n micare de rotaie r [m] raza manivelei; [rad/s] viteza unghiular a arborelui cotit; mR=mBm+mcot =0,73+1,08=1,81 [kg](1.12) mcot [kg] masa neechilibrat a unui cot, considerat a fi concentrat pe axa fusului maneton;

mcot=mm+2mb =[kg](1.13)mm [kg] masa fusului maneton, este concentrat pe axa fusului maneton;mb masa neechilibrat a unui bra;

mgp= [kg](1.14)

mgp= [kg]Pentru calculele preliminare masa grupului piston mgp, masa bielei mB i masa cotului mcot se adopt din date statistice.

Valorile uzuale sunt date n literatura de specialitate sub forma unor mase [kg/cm] sau [kg/cm]. n tabelul 1,1 sunt date valorile uzuale ale maselor raportate pentru grupul piston,biel i masa neechilibrat a unui cot.Tabelul 1.1 Valorile uzuale ale maselor raportate.m.a.s.D=60...100 [mm]m.a.c.

autoturismeD=60 ... 90 mmtransport marfD=90 ... 130 mm

Masa raportat a grupului piston [g/cm2]4,5 ... 109 ... 1515 ... 28

Masa raportat a bielei [g/cm2]14 ... 1617 ... 1925 ... 38

Masa raportat neechilibrat a unui cot, fr contragreuti [g/cm2]7 ... 188 ... 2015 ... 30

Calculul cinematic se organizeaz tabelar (Anexa nr. 1) pentru valori ale lui din 15 n 15 0RA.

2. ECHILIBRAREA M.A.I. CU PISTON

Pentru echilibrarea momentului extern produs de forele de inerie ale maselor n micare de rotaie n motoarele cu numr par de cilindri n linie, o metod simpl este utilizarea unor arbori cu plan central de simetrie (fig. 1.3).Defazajul ntre aprinderi la motorul cu 4 cilindri n linie este:a=720/4 =180 0RA(1.15) Unghiul dintre manivelele arborelui cotit la motorul cu 4 cilindri n linie este de 1800, manivelele fiind dou cte dou n faz.

Fig 1.3 Tipuri de arbori.

Se observ c n al doilea caz momentul exten este nul.La un motor n patru timpi cu numr par de cilindri identici n linie, cu aprinderi uniform repartizate, momentul extern adat de forele de inerie a maselor n micare de rotaie este nul.

Fig 1.4 Arbore cu plan central de simetrie.

3. STEAUA MANIVELELOR SI ORDINEA DE APRINDERE

Construcia stelei manivelelor se face dup ce s-a stabilit configuraia arborelui cotit.Aa cum s-a aratat n subcapitolul anterior, la motoarele cu numar par de cilindri n linie se adopt soluia de arbore cu plan central de simetrie:- configuraia arborelui cotit pentru un motor cu 4 cilindri n linie este prezentat n figura 1.5a, iar steaua manivelelor pentru acest caz n figura 1.5b;

Fig 1.5 a) Configuratia arborelui cotit, b) Ordinea de aprindere.Ordinea de aprindere este stabil pe baza stelei manivelelor. Se consider c prima aprindere realizeaz n cilindru 1, care se afl n p.m.i. . Urmtoarea aprindere are loc dup intervalul a=720/4=180 0RASe rotete steaua manivelelor n jurul punctului O, n sensul de rotaie al arborelui cotit, cu 1800. Acum ajung n poziie de aprindere cilindri 2 i 3. Aprinderea este posibil n ambii cilindri. Se mai rotete o dat seaua manivelelor cu 1800 i n poziia de aprindere ajung cilindrii 1 i 4. Deoarece n timpul acestui ciclu motor a avut loc o aprindere n cilindrul 1, aprinderea se poate face numai n cilindrul 4. Se mai rotete o dat steaua manivelelor cu 1800 i n pozitia de aprindere ajung cilindrii 2 i 3. Dac n cilindrul 2 a avut loc deja o aprindere, urmeaz s se fac aprinderea n cilindrul 4, i invers. Ciclul se ncheie atunci cnd cilindrul 1 ajunge din nou n poziie de aprindere. Schema de aprindere este prezentat n figura 1.6.

Fig 1.6 Schema de aprindere in cilindri.

Se adopta ordinea de aprindere: 1-2-4-3.

4. UNIFORMIZAREA MISCARII ARBORELUI COTIT

Momentul motor total este variabil pe parcursul unui ciclu motor i de aceea i viteza unghiular a arborelui cotit este variabil.Exist dou moduri de reducere a gradului de neuniformitate a micrii arborelui cotit:- creterea numrului de cilindri este limitat de o serie de factori- mrirea momentului de inerie mecanic al arborelui cotit prin montarea unui volant la captul dinspre utilizator;Dac se consider variaia momentului total al motorului pe parcursul unui ciclu Mi (fig. 1.7).

Fig 1.7 Variatia momentului pe parcursul unui ciclu motor

Se determin momentul mediu al motorului prin planimetrarea diagramei de variaie a momentului motor instantaneu funcie de unghiul de rotaie al arborelui cotit.Suma ariilor haurate AL se determin n [mm2] prin planimetrare.Valoarea excesului de lucru mecanic se determin din relaia:

AL=(/180)kMkAL =(/180) 4101,54610=4827,58 [J](1.16)Unde: kM [Nm/mm] scara aleas a momentelor k [grd/mm] scara aleas a unghiurilor Expresia pentru determinarea momentului de inerie mecanic total al arborelui cotit:

[kg.m2](1.17)Pentru gradul de neuniformitate a micrii arborelui cotit se accept valorile =1/80 ... 1/40Momentul mecanic de inerie al volantului este o fraciune din cel total al arborelui cotit:Jv=(0,8 ... 0,9).Jt [kg.m2](1.18)Jv=0,90.0,41 =0,369 [kg.m2]Volantul are forma unei coroane circulare (fig.1.8).

Fig 1.8 Coroana volantului.

Unde: g=40 [mm] limea coroanei volantului h=30 [mm] grosimea radial a coroanei volantului Dmin =300 [mm] diametrul minim al coroanei Dmax =330 [mm] diametrul maxim al coroanei Dmv =315 [mm] diametrul mediu al coroaneiDmv=(Dmax+Dmin)/2(1.19)Unde: mv [kg] masa volantului

mv=..h.g.Dmv = [kg](1.20)

mv= [kg]Unde: [kg/dm3] densitatea materialului volantului=7,85 kg/dm3 pentru oel=7,15 kg/dm3 pentru font Rezult diametru mediu al coroanei:

[mm](1.21)

[mm]Raportul dintre limea g i grosimea radiala h a coroanei este:g/h= 0,6 ... 2,2=1,3(1.22)Apoi se calculeaz diametrul minim i cel maxim al coroanei:Dmax=Dmv+h =315+30=345 [mm](1.23)Dmin=Dmv-h =315-30=285 [mm](1.24)Viteza periferic a volantului trebuie s nu depeasc o valoare minim admisibil vva.Viteza maxim a unui punct de pe periferia coroanei este:vmax=Dmax/2 [m/s](1.25)

vmax =10628,3345/2=98,89 [m/s] Unde: Dmax [mm]vva=65 m/s pentru fontvva=100 m/s pentru oel.

II. ARBORELE COTIT

1. CONSTRUCTIA ARBORELUI COTIT

Arborele cotit nsumeaz momentele produse de fiecare cilindru i furnizeaz utilizatorului momentul total. Rolul su este acela de a transforma micarea alternativ de translanie a pistonului n micare de rotaie. Manivela mecanismului biel manivel este reprezentat de cotul arborelui cotit. Parile componente ale unui arbore cotit sunt (fig. 2.1):

Fig 2.1 Partile componente ale arborelui cotit- fusul maneton pe care se articuleaz biela- fusul palier reprezint lagrul de sprijin al arborelui cotit- braul face legtura dintre fusul palier i fusul maneton

2. CALCULUL ARBORELUI COTIT

n primul rnd vor fi stabilite dimensiunile constructive ale arborelui cotit, dup care urmeaz calculul de verificare.Dimensiunile caracteristice ale arborelui cotit sunt prezentate in figura 2.3.

Fig 2.3 Dimensiunile arborelui cotit.

Unde: l - lungimea unui cot (distana dintre axele a doi cilindri consecutivi) l=lP+lM+2.g=102 [mm](2.1)lP =0,6dp = 45 [mm] lungimea fusului palier(2.2)dP =0,8D =7 4 [mm] diametrul exterior al fusului palier(2.3)lM =0,55dM = 33[mm] lungimea fusului maneton (a fost adoptat la calculul capului bielei)dM =0,65D =60 [mm] diametrul exterior al fusului maneton (a fost adoptat la calculul capului bielei)dMi =0,7dM= 42 [mm] diametrul interior al fusului maneton(2.4)b =1,8dM = 108 [mm] limea braului(2.5)g =0,20dM=12 [mm] grosimea braului(2.6) =0,08dM=4,8[mm] raza de racordare a fusului cu braul(2.7)Valorile recomandate pentru aceste dimensiuni sunt prezentate n tab 2.1.

Tab 2.1 Valori recomandate pentru dimnesiunile arborelui cotitDimensiuneaMotor in linieMotor in V

m.a.s.m.a.c.m.a.s.m.a.c.

l(1,1....1,25)D(1,15....1,35)D(1,25..1,35)D(1,4...1,55)D

dp(0,6....0,8)D(0.7...0,85)D(0,65...0,75)D(0,7....0,75)D

lp-fus intermediar-fus central (0,5...0,6)dp(0,75..0,85)dp(0,45...0,6)dp(0,55...0,75)dp(0,5...0,7)dp(0,7...0,88)dp(0,5...0,65)dp(0,65...0,86)dp

dM(0,5...0,68)D(0,55...0,72)D(0,5....0,67)D(0,6...0,72)D

lM(0,45...0,62)dM(0,5...0,65)dM(0,45...0,62)dM(0,8...1)dM

dMi(0,6...0,8) dM(0,6...0,75) dM(0,6...0,8) dM(0,6...0,75) dM

b(1,7...1,9) dM(1,5...2) dM(1,7...1,9) dM(1,5...2) dM

g(0,15...0,35) dM(0,2...0,35) dM(0,15...0,35) dM(0,2...0,35) dM

(0,06....0,09) dM(0,07....0,01) dM(0,06...0,09) dM(0,07....1) dM

2.1. Calculul de verificare a fusurilor la presiune de contact i la nclzire

Ansamblul fus-cuzinei, att n cazul fusului maneton ct i a celui palier, reprezint un lagr radial hidrodinamic. Pelicula de ulei dinte fus i cuzinet se menine n timpul funcionrii datorit micrii relative cu viteze mari a celor dou componente. Dac presiunea de contact dintre fus i cuzinet este mai mare dect presiunea din stratul de ulei, apare pericolul expulzrii peliculei de ulei dintre cele dou piese. n urma contactului direct dintre cele dou suprafee uzura se accentueaz i din cauza supranclzirii arborelui cotit apare pericolul gripajului. Uleiul are i rolul de a evacua o parte din cldura dezvoltat n lagr.Pentru verificarea fusurilor la presiune specific este necesar s se stabileasc solicitrile care acioneaz asupra acestora. n acest scop se construiesc diagramele polare pentru fusul maneton i pentru cele palier.

2.1.1. Diagrama polar a fusului maneton

Se face o construcie grafic numit diagrama polar. Aceast construcie grafic se bazeaz pe ipoteza c manivela arborelui cotit este fix i biela se rotete n sens invers cu aceeai vitez relativ. Deoarece s-a presupus c cilindri unui motor sunt identici, diagrama polar este aceeai pentru toate fusurile maneton ale unui motor cu cilindri n linie, defazat de la un cilindru la altul n funcie de decalajul dintre aprinderi.Diagrama polara a fusului maneton este prezentata in Anexa nr. 2.

2.1.2. Diagrama polar a fusului palier

Pentru un motor cu 4 cilindri n linie avnd ordinea de aprindere 1-2-4-3-1.

- pe diagrama polar a fusului maneton se duce segmentul MOp=FR, acesta reprezentnd acum forele din cilindrul 4, care acioneaz asupra fusului palier IV;- cu centrul n OP se rotete aceast diagram cu 1800 (egal cu unghiul dintre manivelele cilindrilor 3 i 4);

-defazajul dintre aprinderile n cilindrii 3 i 4 este de , cilindrul 3 fiind in urm: Pentru descrcarea fusurilor palier se utilizeaz contragreuti. Acestea echilibreaz 70-80% din fora de inerie a maselor n micare de rotaie Fe=(0,7-0,8).FR. Acum se poate trece la calculul de verificare la presiune de contact. Suprafaa portant a unui fus (suprafaa pe care acioneaz forele RM i RP) este reprezentat de proiecia acestuia ntr-un plan normal pe axa cilindrului. Aceast proiecie este un dreptunghi cu laturile egale cu lungimea fusului l, respectiv diametrul acestuia d.Pentru fusul palier suprafaa portant este:SpP=lP.dP =4574=3330 [mm2](2.8)iar pentru fusul maneton:SpM=lM.dM =3360=1980 [mm2](2.9)Presiunea specific maxim pe fusul palier:

(2.10)

Presiunea specific medie pe fusul palier:

(2.11)Valorile admisibile sunt :pPmax a=40 ... 60 MPa

P a=30 ... 50 MpaPresiunea specific maxim pe fusul maneton:

(2.12) Presiunea specific medie pe fusul maneton

(2.13)Valorile admisibile:pMmax a=50 ... 90 MPa

M a=35 ... 60 MpaVerificarea preliminar la nclzire se face pe baza coeficientului de uzur pentru fusul respectiv: Coeficientul de uzur pentru fusul maneton:

(2.14)

Unde: - presiunea specific medie pe fusul manetondM [m] - diametrul exterior al fusului maneton.

- factor de corectie.

Se adopta n turatia arborelui.La fusul maneton viteza periferic este amplificat de oscilaiile bielei i de aceea se introduce un factor de corecie care depinde de factorul constructiv al bielei =r/lb (vezi fig. 2.5).

Fig 2.5 Alegerea factorului de corectie in functie de factorul constructiv al bielei

Coeficientul de uzura pentru fusul palier este:

(2.15)

Unde: - presiunea specific medie pe fusul palier respectivdP [m] - diametrul exterior al fusului palierValorile admisibile ale coeficientului de uzur sunt:qa=300 ... 350 pentru aliaj pe baz de staniun funcie de valorile qP si qM se alege tipul de acoperire pentru cuzineii fusului palier respectiv pentru cei ai fusului maneton.Diagrama polara a fusului palier este prezentata in Anexa nr. 3.

2.1.3. Calculul de verificare a cotului la oboseal

Acest calcul se face n ipoteza c arborele cotit este o grind discontinu avnd un numr de pri egale cu numrul coturilor.Mai departe se fac urmtoarele ipoteze:- un cot este o grind simplu rezemat la capete;- reazemele sunt considerate a fi rigide i coaxiale;-datorit lungimii reduse a reazemelor, se neglijeaz momentele ncovoietoare care acioneaz aspra acestora;-asupra reazemului din stnga a cotului z acioneaz un moment de intrare Minz, egal cu suma momentelor de torsiune produse de cilindrii situai ntre acest cot i partea frontal a motorului (fulia ventilatorului).Pentru un motor cu 4 cilindri n linie (fig. 2.5), momentul de intrare pentru cotul 3 este:Min3=M1+M2 (2.16)Me3=Min3+M3 (2.17)

Fig. 2.5. Momentul de intrare pentru cotul 3.

Este evident c momentul de intrare pentru cotul z+1 este egal cu momentul de ieire al cotului z: Minz+1=Mez (2.18)Calculul momentelor s-a realizat sub forma tabelara(vezi Anexa nr.4).

2.1.4. Verificarea la oboseal a fusului palier

La stabilirea ordinii de aprindere i la calculul momentului sum numerotarea cilindrilor a nceput de la volant spre ventilator. Cele mai solicitate sunt fusurile palier dinspre utilizator (volant), deoarece n aceast poriune sunt nsumate momentele produse cilindrii anteriori.Tensiunile maxime i minime ntr-un fus palier sunt:

[MPa] (2.19)

[MPa] (2.20)Unde: WpP [mm3] modulul de rezisten polar al fusului palier

[mm3] (2.21)

Unde: diP=diM [mm] diametrul interior al fusului palier; dP [mm] diametrul exterior al fusului palier; Pentru calculul coeficientului de siguran la oboseal se aplic teorema lui Serensen.

(2.22)unde: -1 [MPa] rezistena la oboseal la solicitarea de rsucire pentru un ciclu asimetric-1=(0,55 ... 0,58).-1=0,55425=233,75 (2.23)

Rezistena la oboseal la solicitarea de ncovoiere pentru un ciclu asimetric:-1=(0,44 ... 0,52).r =0,50700=228(2.24)

Rezistena la rupere pentru materialul arborelui cotit:r=600 ... 800 MPa pentru oel carbon (OLC)

(2.25)

Unde: 0=(1,8 ... 2).-1 =1,8233.75=420,75 [MPa] rezistena la oboseal la solicitarea de torsiune pentru un ciclu pulsatork - coeficientul efectiv de concentrare a tensiunilor pentru solicitarea de torsiune - factorul dimensional pentru solicitarea de torsiunek/ 2, sau se determin k (fig. 2.7a) i (fig. 2.7b).

Fig 2.7 Determinarea coeficientilor pentru soliciterea de torsiune.

- coeficientul de calitate a suprafeei=1,1 ... 1,28 =1,1 pentru oeluri ecruisate cu jet de aliceValorile admisibile pentru coeficientul de siguran la oboseal al fusului palier cLatea=0,25 dac tc