Grupuri motopropulsoare clasice si neconventionale

download Grupuri motopropulsoare clasice si neconventionale

of 107

Transcript of Grupuri motopropulsoare clasice si neconventionale

  • Investete n oameni!

    FONDUL SOCIAL EUROPEAN Programul Operaional Sectorial Dezvoltarea Resurselor Umane 2007 2013 Axa prioritar 1 Educaie i formare profesional n sprijinul creterii economice i dezvoltrii societii bazate pe cunoatere Domeniul major de intervenie 1.5 Programe doctorale i post-doctorale n sprijinul cercetrii Titlul proiectului: Investiie n dezvoltare durabil prin burse doctorale (INED) Numrul de identificare al contractului: POSDRU/88/1.5/S/59321 Beneficiar: Universitatea Transilvania din Braov

    Universitatea Transilvania din Braov

    Scoala Doctoral Interdisciplinar

    Centrul de cercetare: Produse High-Tech pentru Autovehicule

    Ing. Paul GRIGORE

    Contribuii la analiza solicitrilor motoarelor cu raport de comprimare variabil

    Contributions to the stress study of variable

    compression ratio engines

    Conductor tiinific

    Prof.dr.ing. Sorin VLASE

    BRAOV, 2012

  • MINISTERUL EDUCAIEI, CERCETRII, TINERETULUI I SPORTULUI

    UNIVERSITATEA TRANSILVANIA DIN BRAOV BRAOV, B-DUL EROILOR NR. 29, 500036, TEL. 0040-268-413000, FAX 0040-268-410525

    RECTORAT

    D-lui (D-nei) ..............................................................................................................

    COMPONENA Comisiei de doctorat

    Numit prin ordinul Rectorului Universitii Transilvania din Braov Nr. 5355 din 31. 07. 2012

    PREEDINTE: Prof.dr.ing. Anghel CHIRU

    Universitatea Transilvania din Braov

    CONDUCTOR TIINIFIC: Prof.dr.ing. Sorin VLASE Universitatea Transilvania din Braov

    REFERENI: Prof.dr.ing. Polidor BRATU Universitatea Dunrea de Jos din Galai

    Cercet.t. pr. I, dr.mat Veturia CHIROIU Institutul de Mecanica Solidelor al Academiei Romne

    Prof.dr.ing. Iuliu NEGREAN Universitatea Tehnic din Cluj Napoca

    Data, ora i locul susinerii publice a tezei de doctorat: 21. 11. 2012, ora 13:00, sala U II 3. Eventualele aprecieri sau observaii asupra coninutului lucrrii v rugm s le transmitei n timp util, pe adresa: [email protected]. Totodat v invitm s luai parte la edina public de susinere a tezei de doctorat. V mulumim.

  • CUVNT NAINTE

    nainte de a pune punct unui capitol important din viaa profesional, a dori s aduc

    mulumiri celor care au fost alturi de mine n acest provocare pe care viaa mi-a scos-o nainte.

    n primul rnd, vreau s i mulumesc domnului profesor dr. ing. mat. Sorin Vlase,

    coordonatorul tiintific al lucrrii, cel care mi-a oferit ansa de a efectua studii mai aprofundate

    asupra solicitrilor componentelor motoarelor cu ardere intern. Totodat a fost cel care m-a

    ndrumat, sprijinit n diversele situaii aprute pe parcursul acestor trei ani, iar datorit

    capacitilor mari de analiz i sintez, dar i a observaiilor dnsului, am reuit s aduc aceast

    lucrare la forma actual.

    Doresc s aduc pe aceast cale mulumiri domnului profesor Vladimir Mrdrescu,

    alturi de care am reuit s-mi nsuesc numeroase cunotine n domeniul motoarelor cu ardere

    intern, reuind astfel, s depesc numeroase obstacole ntlnite n special, n laboratorul de

    motoare din cadrul Universitii Transilvania din Braov.

    Apreciez sfaturile i ndrumrile primite de la domul inginer Brutler Attila (Duotrac

    Braov), cel care mi-a oferit totodat i sprijin n numeroasele prelucrri necesare recondiionrii

    motorului studiat.

    Mulumesc colectivului din Departamentul de Inginerie Mecanic, n special fosta

    Catedr de Mecanic, n cadrul cruia niciodat nu m-am simit singur i ntotdeauna am

    beneficiat de ajutor. Totodat, adresez mulumiri tutoror prietenilor care mi-au fost aproape att

    n momentele grele, ct i n cele frumoase; mi-ar fi plcut s v amintesc pe toi...

    Nu n ultimul rnd, a dori s mulumesc familiei mele pentru sprijinul, rbdarea i

    ncrederea acordat pe ntreaga perioad de desfurare a pregtirii acestei lucrri.

    Cu aleas stim i respect, va multumesc!

    Paul

    Noiembrie 2012

  • CUPRINS (lb. romn)

    Pg. teza

    Pg.

    rezumat

    LISTA DE FIGURI I -

    LISTA DE TABELE II -

    NOTAII III -

    INTRODUCERE............................................................................................................. 10 6

    1. Stadiul actual privind realizrile n domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil

    12

    7

    1.1. Introducere 12 7

    1.2. Formularea i justificarea temei 15 7

    1.2.1. Raportul geometric de comprimare al unui motor cu ardere intern 15 7

    1.2.1. Gradul de perfeciune i economicitate al unui motor.................................. 17 -

    1.2.2. Regimurile de funcionare i definirea sarcinii unui motor cu ardere intern...........................................................................................................

    21

    8

    1.3. Soluii constructive pentru variaia raportului geometric de comprimare........... 27 11

    1.3.1. Conceptul SVC...........................................................................................

    1.3.2. Motorul Hara..............................................................................................

    1.3.3. Soluia Ford.................................................................................................

    1.3.4. Soluia BICERI...........................................................................................

    1.3.5. Soluia Rpan..............................................................................................

    1.3.6. Motorul Geomecsys....................................................................................

    1.3.7. Motorul Mayflower....................................................................................

    1.3.8. Soluia Peugeot...........................................................................................

    1.3.9. Motorul Nissan...........................................................................................

    1.3.10. Conceptul Envera VCR..............................................................................

    1.3.11. Soluia Clarke/Ford.....................................................................................

    1.3.12. Motorul Volvo/Alvar..................................................................................

    1.3.13. Conceptul Lotus Omnivore.........................................................................

    1.3.14. Motorul MCE-5.........................................................................................

    30

    32

    34

    35

    36

    37

    39

    41

    41

    42

    43

    44

    48

    50

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    1.4. Concluzii................................................................................................................ 53 12

    1.5. Bibliografie............................................................................................................ 54 -

    2. Obiectivele i organizarea tezei 58 13

    2.1. Obiectivele tezei 58 13

    2.2. Organizarea tezei 58 13

  • 3. Contribuii la analiza cinematic a motoarelor cu raport de comprimare variabil

    61

    16

    3.1. Introducere...........................................................................................................

    3.2. Cinematica motorului cu raport de comprimare variabil i bloc motor articulat.

    3.3. Concluzii...............................................................................................................

    3.4. Bibliografie...........................................................................................................

    61

    61

    67

    67

    16

    16

    22

    -

    4. Studiul motorului cu distribuie prin ferestre i cma rotativ.......................... 68 23

    4.1. Introducere............................................................................................................

    4.2. Principiul de funcionare al motorului MDR-2....................................................

    4.3. Modaliti de construcie a motorului MDR-2.....................................................

    4.4. Seciunile de trecere ale cmii rotative de distribuie.......................................

    4.5. Sistemul de variaie al raportului geometric de comprimare pentru motorul MDR-

    2..................................................................................................................

    4.6. Optimizri realizate asupra modului de funcionare al motorului MDR-2..........

    4.6.1. Construcia unui nou tip de cma rotativ de distribuie..........................

    4.6.2. Optimizarea etanrii cilindrului n dreptul canalelor de distribuie...........

    4.7. Concluzii...............................................................................................................

    4.8. Bibliografie...........................................................................................................

    68

    68

    73

    85

    91

    100

    100

    101

    103

    104

    23

    23

    25

    28

    32

    -

    -

    -

    35

    -

    5. Determinarea strii de solicitare din componentele motoarelor cu raport de comprimare variabil....................................................................................................

    106

    37

    5.1. Introducere............................................................................................................

    5.2. Determinarea solicitrilor din sistemul biel-manivel al motorului MDR-2......

    5.3. Determinarea solicitrilor cmii rotative de distribuie i componentelor mecanismului biel-manivel al motorului MDR-2 cu metoda elementelor finite......................................................................................................................

    106

    107

    121

    37

    -

    37

    5.3.1. Utilizarea metodei elementelor finite pentru calculul solicitrilor. Avantaje, dezavantaje i limitri.................................................................

    121

    37

    5.3.2. Analiza cmii rotative de distribuie.......................................................

    5.3.3. Analiza pistonului...

    5.3.4. Analiza bielei..

    5.4. Concluzii..

    5.5. Bibliografie...

    134

    153

    161

    176

    177

    38

    48

    53

    61

    -

    6. Cercetri experimentale privind solicitrile din componentele motoarelor cu raport de comprimare variabil

    178

    63

    6.1. Introducere............................................................................................................

    6.2. Msurtori cu traductoare electrotensometrice rezistive......................................

    6.3. Descrierea echipamentului folosit n cadrul msurtorilor cu mrci tensometrice..........................................................................................................

    178

    179

    187

    63

    63

    65

  • 6.4. Analiza cu elemente finite privind deformaiile specifice din pistonul i biela motorului MDR-2.................................................................................................

    189

    67

    6.4.1. Modelele de piston i biel analizate..........................................................

    6.4.2. Rezultatele analizei cu elemente finite........................................................

    6.5. Analiza cu mrci tensometrice privind deformaiile specifice din pistonul i biela motorului MDR-2........................................................................................

    189

    192

    196

    67

    70

    74

    6.5.1. Pregtirea echipamentului i stabilirea modului de lucru n cadrul msurtorilor cu mrci tensometrice...........................................................

    196

    74

    6.5.2. Rezultatele analizei cu mrci tensometrice.................................................

    6.6. Concluzii..............................................................................................................

    6.7. Bibliografie..........................................................................................................

    198

    208

    208

    76

    86

    -

    7. Contribuii personale i direcii viitoare de cercetare............................................. 210 87

    7.1. Concluzii finale

    7.2. Contribuii personale

    7.3. Direcii viitoare de cercetare

    7.4. Diseminarea rezultatelor...

    210

    212

    214

    214

    87

    89

    91

    91

    BIBLIOGRAFIE 215 92

    ANEXE

    Anexa 1, Analiza cu elemente finite chiulas MDR-2 224 -

    Anexa 2, Analiza cu elemente finite cma rotativ de distribuie 229 -

    Anexa 2, Analiza cu elemente finite arbore cotit MDR-2..................................... 234 -

    Scurt Rezumat (romn/englez).............................................................................. - 101

    CV................................................................................................................................. 240 102

  • CUPRINS (lb. Englez)

    Pg. teza

    Pg.

    rezumat

    LIST OF FIGURES I -

    LIST OF TABELS II -

    ABBREVIATIONS III -

    INTRODUCTION............................................................................................................. 10 6

    1. State of art regarding variable compression ratio engine................................. 12 7

    1.1. Introduction 12 7

    1.2. Formulation and justifying of theme 15 7

    1.2.1. Compression ratio for internal combustion engine 15 7

    1.2.1. Perfection and economical level of an engine................................................ 17 -

    1.2.2. Operating modes and load definition of internal combustion engines .......... 21 8

    1.3. Constructive solutions for variable compression ratio........................................... 27 11

    1.3.1. SVC Concept................................................................................................

    1.3.2. Hara Engine..................................................................................................

    1.3.3. Ford Solution.................................................................................................

    1.3.4. BICERI Solution...........................................................................................

    1.3.5. Rpan Solution.............................................................................................

    1.3.6. Geomecsys Engine........................................................................................

    1.3.7. Mayflower Engine........................................................................................

    1.3.8. Peugeot Solution...........................................................................................

    1.3.9. Nissan Engine...............................................................................................

    1.3.10. Envera VCR Concept...................................................................................

    1.3.11. Clarke/Ford Solution....................................................................................

    1.3.12. Volvo/Alvar Engine......................................................................................

    1.3.13. Lotus Omnivore Concept..............................................................................

    1.3.14. MCE-5 Concept...........................................................................................

    30

    32

    34

    35

    36

    37

    39

    41

    41

    42

    43

    44

    48

    50

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    -

    1.4. Conclusions.............................................................................................................. 53 12

    1.5. References................................................................................................................ 54 -

    2. Objectives and thesis organization 58 13

    2.1. Objectives of thesis 58 13

    2.2. Thesis organization 58 13

  • 3. Contributions to kinematic analysis of variable compression ratio engines 61 16

    3.1. Introduction.............................................................................................................

    3.2. Kinematic of variable compression ratio engine with rotating cylinder block......

    3.3. Conclusions.............................................................................................................

    3.4. References...............................................................................................................

    61

    61

    67

    67

    16

    16

    22

    -

    4. The study of engine with slide-valve distribution and rotating cylinder jacket..............................................................................................................................

    68

    23

    4.1. Introduction............................................................................................................

    4.2. Principle of MDR-2 engine operation....................................................................

    4.3. MDR-2 engine contruction methods.....................................................................

    4.4. Rotating cylinder jacket cross-section.......................................

    4.5. System variation of compression ratio for MDR-2 engine................................

    4.6. Optimizations of MDR-2 engine operating mode..................................................

    4.6.1. Rotating cylinder jacket new type construction.............................

    4.6.2. Cylinder seal optimization for distribution channels area............................

    4.7. Conclusions............................................................................................................

    4.8. References..............................................................................................................

    68

    68

    73

    85

    91

    100

    100

    101

    103

    104

    23

    23

    25

    28

    32

    -

    -

    -

    35

    -

    5. Determining the stress condition of variable compression ratio engines components.....................................................................................................................

    106

    37

    5.1. Introduction............................................................................................................

    5.2. Determining the stress condition for MDR-2 crank mechanism............................

    5.3. Determining the stress condition for rotating cylinder jacket and MDR-2 crank mechanism using finite element method................................................................

    106

    107

    121

    37

    -

    37

    5.3.1. Using finite element method for stress calculation. Advantages, disadvantages and limitations........................................................................

    121

    37

    5.3.2. Rotating cylinder jacket analysis..........................................................

    5.3.3. Piston analysis......

    5.3.4. Connecting-rod analysis...

    5.4. Conclusions....

    5.5. References .....

    134

    153

    161

    176

    177

    38

    48

    53

    61

    -

    6. Experimental research regarding stress condition on variable compression ratio engine components

    178

    63

    6.1. Introduction.............................................................................................................

    6.2. Strain gauge measurements....................................................................................

    6.3. Description of the equipment used in strain gauge measurements.......................

    178

    179

    187

    63

    63

    65

    6.4. Finit element analysis regarding normal elastic strain for piston and MDR-2 connecting-rod........................................................................................................

    189

    67

  • 6.4.1. Piston and conn-rod models analyzed...........................................................

    6.4.2. Finite element analysis results...........................................................

    6.5. Strain gauge measurements regarding normal elastic strain for piston and MDR-2 conn-rod...............................................................................................................

    189

    192

    196

    67

    70

    74

    6.5.1. Preparation of equipment for stain gauge measurements.............................. 196 74

    6.5.2. Strain gauge measurements results................................................................

    6.6. Conclusions..............................................................................................................

    6.7. References...............................................................................................................

    198

    208

    208

    76

    86

    -

    7. Personal contributions and future research directions............................................. 210 87

    7.1. Final conclusions

    7.2. Personal contribution..

    7.3. Future research directions...

    7.4. Results dissemination.....

    210

    212

    214

    214

    87

    89

    91

    91

    REFERENCES 215 92

    ANNEXES

    Anex 1, Finit element analysis MDR-2 cylinder head 224 -

    Anex 2, Finit element analysis rotating cylinder jacket 229 -

    Anex 2, Finit element analysis MDR-2 crankshaft.................................................. 234 -

    Short Abstract (romn/englez).................................................................................. - 101

    CV.................................................................................................................................... 240 102

  • - 6 -

    Introducere

    Cercetrile privind conceptul de comprimare variabil sunt justificate, aa cum

    urmeaz a fi prezentat, datorit marilor dezavantaje prezente n funcionarea motoarelor

    termice. Pe de alt parte, deteriorarea rapid a mediului nconjurtor i incertitudinile privind

    rezervele de energie pentru viitor reprezint principalele consecine ale stilului actual de via

    bazat pe confort i mobilitate. Pentru viitor, trebuie s dezvoltm i s implementm rapid

    tehnologii de nalt eficien n toate sectoarele. n acest context, eficiena sczut a energiei

    prezent n sistemele actuale de propulsie, reprezint o adevrat provocare pentru marii

    constructori auto care sunt nevoii s comercializeze autovehicule cu un consum de

    combustibil ct mai redus. Acest lucru trebuie realizat prin respectarea unor condiii din ce n

    ce mai severe. n vederea susinerii brand-ului, fiecare constructor va cuta s ating un nivel

    ridicat al performanelor fr a influena ns, gradul de accesibilitate pentru noile produse.

    Recent, aproape toi constructorii auto au prezentat diverse modele de autovehicule

    hibride. Obiectivul principal vizat prin dezvoltarea acestor modele este reducerea consumului

    de combustibil i totodat a nivelului de emisii poluante. Cu toate acestea, avndu-se n

    vedere stadiul actual al cercetrilor n acest domeniu, producia de astfel de autovehicule nu

    rspunde n totalitate cerinelor actuale ale pieei. mbuntirea motoarelor cu ardere intern

    existente, nc reprezint o alternativ semnificativ pentru rezolvarea problemelor energetice

    i de protejare a mediului nconjurtor care decurg din cererile din sectorul transporturilor.

    Pentru nceput, prin cercetrile privind stadiul actual n domeniul comprimrii

    variabile, sunt prezentate principalele soluii constructive care au atras atenia prin putere

    maxim dezvoltat mai mare (n comparaie cu un motor clasic cu aceeai capacitate

    cilindric), consum de combustibil redus i nivel al emisiilor poluante sczut.

    Lucrarea de fa i propune s analizeze solicitrile din componentele principale ale

    motoarelor cu ardere intern care funcioneaz dup ciclul Otto, ca urmare a utilizrii

    raportului geometric de comprimare variabil. Cercetarea soluiilor constructive uzuale i a

    criteriilor adoptate n dezvoltarea proiectelor de comprimare variabil, cuprinde i studiul

    motorului cu distribuie prin ferestre i cma rotativ, n cazul cruia, au fost propuse spre

    brevetare dou mecanisme de control al raportului volumetric de comprimare.

  • - 7 -

    1. Stadiul actual privind realizrile n domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil

    1.1. Introducere

    Exist numeroi factori, care prin rezultatele satisfctoare obinute din cercetri

    experimentale, susin conceptul de comprimare variabil i mbuntirile aduse de acesta.

    Dintre acetia se remarc consumul redus de combustibil. Reducerea de consum conduce

    ctre creterea lucrului mecanic pozitiv (eficiena motorului) i scderea celui negativ (lucru

    mecanic de pompaj, pierderi mecanice prin frecare).

    1.2. Formularea i justificarea temei

    1.2.1. Raportul geometric de comprimare al unui motor cu ardere intern

    Volumul maxim ocupat de fluidul motor atunci cnd pistonul se afl la PMI se

    numete volumul cilindrului i se noteaz cu Va, iar volumul minim (cnd pistonul se afl la

    PMS) volumul camerei de ardere din chiulas, notat cu Vc. Raportul dintre cele dou volume

    se numete raport de comprimare (geometric sau volumetric) i se noteaz cu v [55, 74].

    c

    av V

    V (1.1)

    Altfel spus, raportul geometric de comprimare este definit prin raportul dintre valoarea

    maxim, respectiv minim, a volumului care poate fi ocupat de ctre gaze n cilindrul

    motorului (figura 1.1).

    Fig. 1.1 Volumul maxim i minim ocupat de gaze n poziiile etreme ale pistonului [15]

  • - 8 -

    1.2.2. Regimurile de funcionare i definirea sarcinii unui motor cu ardere intern

    Aciunea exterioar aplicat de consumatorul de energie, n acest caz automobilul, la

    cuplajul de legtur al arborelui cotit al motorului, reprezint sarcina motorului sau ncrcarea

    acestuia [1, 6]. Cum ns arborele cotit are o micare de rotaie, aciunea exterioar se traduce

    printr-un moment, astfel nct sarcina motorului este de fapt momentul rezistent, Mrez aplicat

    acestuia de ctre consumator i care poate fi exprimat prin relaia [7]:

    00 ii

    RRRR

    ii

    rRM

    kk cv

    dpar

    cv

    rrez

    (1.2)

    unde: Rr, Ra, Rp, Rd rezistenele la naintare, ultimele dou neavnd un caracter

    permanent (dac , a 0 atunci Rp, Rd 0);

    rr [mm] raza de rulare a roii motoare;

    iCVk [-] raportul de transmitere al treptei de transmitere al treptei cuplate din

    cutia de viteze;

    i0 [-] raportul de transmitere al transmisiei principale.

    Funcionarea stabil a motorului ntr-un anumit regim, presupune ndeplinirea

    condiiei [14]:

    n = const. (1.2)

    Fig. 1.2 Condiiile variabile de funcionare ale motorului de automobil [14]

  • - 9 -

    O astfel de condiie se realizeaz ns, atunci cnd momentul motor, dezvoltat la

    arborele cotit este egal cu momentul rezistent, aplicat arborelui cotit, ajungndu-se la o nou

    condiie, de forma:

    Me = Mrez (1.3)

    Aceast egalitate face posibil definirea sarcinii printr-o mrime proprie motorului,

    adic prin momentul motor efectiv, Me i nu prin intermediul unei mrimi exterioare, cum este

    momentul rezistent, Mrez.

    Aa cum se observ din figura 1.2, la o turaie dat, motorul poate dezvolta diferite

    valori ale momentului efectiv. Acestea pot varia ntre valoarea nul i valoarea maxim

    posibil.

    Sarcina relativ se definete ca raportul dintre momentul motor dezvoltat, Me i un

    moment motor de referin, ambele mrimi fiind precizate pentru aceeai turaie. ncrcarea

    de referin este cea corespunztoare momentului efectiv continuu al motorului, Me cont la

    turaia dat. Avnd n vedere proporionalitatea mrimilor, att n cazul puterilor efective, ct

    i n cel al presiunilor medii efective, coeficientul de sarcin poate fi definit (pentru

    aceeai turaie n) prin relaia [1, 55]:

    conte

    e

    conte

    e

    conte

    e

    p

    p

    P

    P

    M

    M (1.4)

    unde: Me momentul motor efectiv dezvoltat;

    Me cont momentul motor efectiv continuu sau valoarea momentului motor

    efectiv, corespunztoare puterii efective continue la turaia respectiv;

    Pe puterea efectiv dezvoltat la arborele motorului, la o turatie oarecare, cu

    specificarea modului de echipare a motorului;

    Pe cont puterea efectiv continu sau puterea maxim pe care o poate realiza n

    mod continuu motorul la o turaie dat, far a-i modifica starea

    tehnic un timp ndelungat;

    pe presiunea medie efectiv;

    pe cont presiunea medie efectiv continu.

    Coeficientul de sarcin se poate exprima prin valori absolute sau prin procente din

    ncarcarea de referin. Aceste valori ale sale difereniaz categorii distincte de sarcini n

    cadrul regimurilor de funcionare ale motorului (tabelul 1.1).

  • - 10 -

    Tabelul 1.1 Valorile caracteristice ale coeficientului de sarcin [14]

    Denumirea sarcinii Valorile caracteristice

    Sarcin nul = 0

    Sarcini pariale 0 < < 1

    Sarcin plin (sarcin continu) = p = c = 1

    Suprasarcin (sarcini intermitente) 1 < i < 1,1...1,2

    Sarcin total = t = 1,1...1,2

    Pentru un autovehicul, sarcina motorului depinde att de condiiile de deplasare, ct i

    de gradul de ncrcare al acestuia. n condiii de trafic urban intens, ponderea sarcinilor i

    turaiilor mari n funcionarea motorului este redus predominnd sarcinile pariale mici i

    regimul de mers n gol. Prin urmare, consumul de combustibil va fi unul ridicat, ceea ce din

    punct de vedere economic, nu este deloc avantajos pentru motorul de automobil.

    Acest aspect este evideniat i cu ajutorul figurii 1.3 n care, pe caracteristica de turaie

    a motorului se pot remarca regimurile cele mai frecvente, marcate prin zona hasurat, precum

    i valorile unghiulare ale deschiderii obturatorului, corespunztoare diverselor sarcini ale

    motorului.

    Fig. 1.3 Frecvena regimurilor de funcionare n funcie de turaie i gradul de deschidere al obturatorului [14]

  • - 11 -

    1.3. Soluii constructive pentru variaia raportului geometric de comprimare

    Modificarea volumului camerei de ardere Vc, reprezint principala soluie adoptat n

    cadrul cercetrilor din ultimii ani n domeniul motoarelor cu raport de comprimare variabil.

    Principalele metode de variaie a raportului geometric de comprimare pot fi urmrite n figura

    1.4. n comparaie cu motoarele clasice, principalele avantaje i dezavantaje precum i

    particularitile acestor metode de variaie pentru v, pot fi urmrite n tabelul 1.2.

    Tabelul 1.2 Avantajele i dezavantajele metodelor de control pentru v [118]

    Criterii de comparaie

    Metode de control pentru (figura 1.7)

    a) b) c) d)

    e) f ) 1 2 3 1 2 3

    Integritatea camerei de ardere = = = = = = = = - - =

    Cinematica pistonului = = =

    Viteza de rotaie a arborelui cotit = = = = = = = = = =

    Controlul raportului de comprimare + + - - - - + + + + + + + +

    Pierderi mecanice prin frecri = - = = = - - - - + +

    Fig. 1.4 Ilustrarea principalelor metode de variaie a lui v [15]

  • - 12 -

    Siguran n funcionare i fiabilitate - - - - - - = = = = + +

    Fore ineriale = - - - = - - - = -

    Nivelul de zgomot - - = =/- =/- =/- = = = = =/+

    Gabarit i implementare - - - - - - - - - - -

    Asemnri = Diferene Avantaje + Dezavantaje -

    1.4. Concluzii

    Exist o opinie pe care toi constructorii de automobile o mprtesc: raportul

    geometric de comprimare variabil este cea mai eficient soluie pentru reducerea consumului

    de combustibil n cazul motoarelor SI, deschiznd astfel, calea spre numeroase strategii pentru

    viitor.

    ntr-adevr, comprimarea variabil este instrumentul suprem de a reduce consumul de

    carburant al motoarelor cu aprindere prin scnteie n conformitate cu cele mai stricte

    standarde de emisii i cerine ale pieei de automobile. n viitorul apropiat, raportul volumetric

    de comprimare variabil, va fi la fel de indispensabil pentru motoarele Otto, aa cum reprezint

    n momentul de fa injecia multipl direct pentru cele Diesel.

    Pentru moment, n ceea ce privete planificarea produciei n mas a motoarelor VCR,

    constructorii ntmpin numeroase dificulti. ntr-adevr, mai multe prototipuri au fost

    dezvoltate i testate pe autovehicule. Dei acestea au confirmat ctigurile oferite de

    comprimarea variabil, a fost constatat de asemenea, dificultatea de a le proiecta pentru a

    rspunde cerinelor de producie n mas (funcionalitate, fiabilitate, durabilitate, costuri

    reduse de producie).

    n acest context, urmtorul pas este acela de a identifica i de a studia un mecanism

    capabil s realizeze ajustarea lui v, care este conform cu cerinele produciei n mas. Acest

    proiect va trebui s se bazeze pe cunotinele i cercetrile existente legate de motoarele

    convenionale, prezentnd n acelasi timp, o nalt fiabilitate, durabilitate i costuri de

    producie rezonabile.

  • - 13 -

    2. Obiectivele i organizarea tezei

    2.1. Obiectivele tezei

    1. Cercetare bibliografic i stabilirea stadiului actual n domeniul motoarelor cu raport

    de comprimare variabil.

    2. Necesitatea i oportunitatea temei.

    3. ncadrarea cercetrilor preliminare n fluxul principal al cercetrilor n domeniu.

    4. Model cinematic pentru analiza funcionrii motoarelor cu raport de comprimare

    variabil.

    5. Determinarea solicitrilor din motorul cu raport de comprimare variabil.

    6. Msurtori experimentale ale tensiunilor din elementele motorului MDR-21.

    7. Propuneri de implementare a rezultatelor n industrie i de transfer tehnologic.

    8. Propuneri de brevete i de valorificare a rezultatelor.

    2.2. Organizarea tezei

    Lucrarea este organizat n trei pri (figura 2.1) care cuprind:

    Partea I (cuprinde capitolul 1):

    1) Formularea i justificarea temei.

    2) Studiul bibliografic, identificarea i analiza celor mai recente soluii n domeniul

    motoarelor cu raport geometric de comprimare variabil. Sunt formulate de

    asemenea, opurtunitile abordrii temei.

    Partea a II-a (cuprinde capitolele 3, 4 i 5):

    1) Model cinematic pentru motorul cu raport volumetric de comprimare variabil. n

    acest sens, este studiat soluia prin care realizarea comprimrii variabile

    presupune nlocuirea blocului motor convenional cu unul articulat.

    2) Studiul i construcia motorului cu distribuie prin ferestre i raport geometric de

    comprimare variabil. Punctul de plecare n cazul acestei cercetri l reprezint

    1 Denumire a motorului stabilit n baza numelui inventatorului Prof. Dr. Ing. Radu Mrdrescu

  • - 14 -

    motorul cu ditribuie prin ferestre i cma rotativ MDR-2. Sunt evideniate

    avantajele alegerii acestui tip de motor pentru implementarea conceptului de

    comprimare variabil. Au fost studiate i aplicate diferite soluii constructive care

    au vizat optimizarea funcionrii motorului cu distribuie prin ferestre i cma

    rotativ. n urma cercetrilor realizate, a fost aleas o soluie de realizare a

    comprimrii variabile pentru acest motor, soluie care reprezint de altfel, i

    obiectul unui brevet. Dup efectuarea optimizrii funcionrii motorului i

    stabilirea metodei de control pentru raportul geometric de comprimare, sunt

    studiate tensiunile din componentele principale ale acestuia. Modul n care aceste

    cercetri au fost realizate este caracterizat printr-o metoda deja consacrat, i

    anume metoda elementelor finite (MEF).

    Partea a III-a (cuprinde capitolele 6 i 7):

    1) Evaluarea rezultatelor prin msurtori experimentale. Cercetrile vizeaz

    determinarea pe cale experimental a tensiunilor din elementele principale ale

    motorului cu distribuie prin ferestre i cma rotativ prin intermediul

    tensometriei electrice rezistive. Este realizat corelaia ntre rezultatele determinate

    prin msurtori experimentale i cele obinute teoretic.

    2) n final sunt formulate concluziile i contribuiile originale, precum i direciile

    viitoare de cercetare.

  • - 15 -

    Partea I

    1. Stadiul actual privind realizrile n domeniul motoarelor VCR

    Formularea i justificarea temei Studiu bibliografic, identificarea i

    analiza celor mai recente soluii

    Partea a II-a

    3. Contribuii la analiza cinematic a motoarelor VCR

    4. Studiul motorului cu distribue prin ferestre i cma rotativ MDR-2

    Model cinematic

    Studiul i construcia motorului MDR-2 Motorul MDR-2 VCR Brevet

    5. Determinarea strii de solicitare din componentele motoarelor VCR

    Solicitrile din componentele motorului MDR-2 (MEF)

    Partea a III-a

    6. Verificri experimentale

    7. Contribuii originale, direcii de cercetare viitoare

    Msurtori experimentale ale tensiunilor din componentele principale ale motorului MDR-2

    Corelaia rezultatelor cu cele obinute pe cale teoretic (MEF)

    Fig. 2.1 Organizarea tezei

  • - 16 -

    3. Contribuii la analiza cinematic a motoarelor cu raport de comprimare variabil

    3.1. Introducere

    Calculul cinematic n cazul motoarelor capabile s-i modifice raportul geometric de

    comprimare este realizat avndu-se n vedere modul n care diferitele metode, aplicate pentru

    realizarea comprimrii variabile, influeneaz geometria mecanismului biel-manivel i n

    cele din urm, solicitrile care apar n acest sistem. n consecin, proiectarea unui astfel de

    motor, care ncorporeaz un mecanism de ajustare a v, implic un calcul cinematic i dinamic

    pentru componentele acestuia, pentru a verifica dac vor exista noi solicitri rezultate din

    funcionarea noului sistem implementat.

    3.2. Cinematica motorului cu raport de comprimare variabil i bloc motor articulat

    Calculul cinematic n cazul conceptelor VCR cu bloc motor articulat este realizat cu

    metodele clasice. Presupunem motorul n poziia iniial. Dac se rotete partea superioar cu

    un unghi , atunci se modific dou seturi de date n formulele care descriu cinematica

    mecanismului biel-manivel: excentricitatea i poziia punctului mort inferior i superior.

    Aceast modificare are un impact major asupra geometriei mecanismului motor i de aceea

    este necesar un calcul precis [2].

    Pentru orice micare a blocului motor, excentricitatea va crete (figura 3.1). Dac

    excentricitatea iniial este zero, prin rotaia carterului superior ntr-o parte sau cealalt,

    excentricitatea va crete, rezultnd modificarea raportului de comprimare [1]. Punctul de zero

    pentru nceperea ciclului devine n acest caz punctul de unghi . Distana OC rmne

    constant n timpul rotaiei, axa Cx1 devine, dup rotaia cu unghiul , axa Bx1. n figura 3.2

    se prezint rotaia blocului cu unghiul , iar n figura 3.3, o schi care permite calculul noii

    valori a excentricitii dup rotaia efectuat.

    Excentricitatea e devine e unde putem scrie [4]:

  • - 17 -

    eReReRODeRBDe )cos1(cos' (3.1)

    Dac rotaia blocului se face n sens trigonometric direct, relaiile rmn aceleai, cu

    observaia c unghiul din formula anterioar se schimb cu unghiul - .

    Fig. 3.1 Rotaia carterului superior n sens trigonometric

    invers

    Fig. 3.2 Schia rotaiei blocului motor

  • - 18 -

    Pentru calculul raportului geometric de comprimare n funcie de rotaia carterului

    superior, atunci cand tim excentricitatea e, vom analiza figura 3.4.

    n poziiile extreme ale mecanismului biel-manivel avem valorile maxime i minime

    ale deplasrii pistonului [3]:

    Fig. 3.3 Rotaia blocului motor n sens trigonometric direct

    Fig. 3.4 Reprezentarea excentricitii n funcie de rotaia carterului superior

  • - 19 -

    ;)(;)( 22min22

    max erlDelrD (3.2)

    i unghiurilor fcute de biel i manivel, aflate n prelungire cu axa cilindrului:

    ;sin;sin 21 rl

    e

    lr

    e

    (3.3)

    Cursa pistonului este n acest caz:

    minmax DDs (3.4)

    iar raportul geometric de comprimare este:

    ;1

    minmax o

    o

    v sDD

    s

    (3.5)

    n cazul n care carterul superior s-ar rotit cu un unghi excentricitatea devine e iar

    formulele care descriu deplasarea pistonului devin:

    ;')(';')(' 22min22

    max erlDelrD (3.6)

    Fig. 3.5 Calculul raportului geometric de comprimare

  • - 20 -

    iar unghiurile fcute cu axa pistonului:

    ;'

    'sin;'

    'sin 21 rl

    e

    lr

    e

    (3.7)

    Cursa pistonului se schimb, devenind:

    minmax ''' DDs (3.8)

    iar raportul volumetric de comprimare:

    ;''

    '

    '

    1

    o

    o

    v ss

    s

    (3.9)

    Mrimea os se schimb devenind:

    maxmax '' DDss oo (3.10)

    deci raportul de comprimare devine:

    ;'

    '

    '

    1

    minmax

    maxmax

    DDs

    DDs

    o

    o

    v

    (3.11)

    Figura 3.6 prezint poziiile extreme ale mecanismului biel-manivel pentru un bloc

    motor articulat.

    Fig. 3.6 Poziiile extreme ale blocului motor articulat

  • - 21 -

    Fig. 3.7 Valorile lui v pentru o variaie de 1200 a unghiului de rotaie

    Fig. 3.8 Valorile lui v pentru o variaie de 100 a unghiului de rotaie

  • - 22 -

    3.3. Concluzii

    n cazul mecanismului biel-manivel, prin studiul cinematic i dinamic, se urmrete

    determinarea mrimilor caracteristice proiectrii unui motor cu ardere intern. Determinarea

    acestor mrimi i a legilor care le definesc, st la baza formulrii i rezolvrii problemelor de

    natur dinamic. Analiza funciilor care exprim deplasarea, viteza i acceleraia pieselor

    componente ale mecanismului, permit determinarea forelor de inerie care solicit sistemul i

    aprecierea vitezelor relative care pot determina uzura pieselor.

    Dei au fost propuse numeroase soluii pentru obinerea comprimrii variabile,

    majoritatea acestora prezint dezavantaje prin piesele suplimentare introduse n lanul

    cinematic piston-biel-manivel. Acest lucru exercit un impact major asupra fiabilitii i

    siguranei n exploatare, dar i asupra costurilor finale de producie.

    Conceptele VCR care presupun variaia raportului geometric de comprimare prin

    articulaia blocului motor prezint dezavantajul caracterizat prin modificarea poziiei

    carterului superior. Acest lucru are drept rezultat, nu numai variaia v, ci i schimbarea

    geometriei mecanismului biel-manivel i n cele din urm, a solicitrilor ce apar n acest

    sistem. n consecin, proiectarea unui astfel de motor, implic un calcul cinematic i dinamic

    al componentelor acestuia, pentru a verifica dac vor exista noi solicitri rezultate din rotaia

    carterului superior.

  • - 23 -

    4. Studiul motorului cu distribuie prin ferestre i cma rotativ

    4.1. Introducere

    n cadrul acestui capitol, cercetarea sistemului de distribuie prin ferestre i cma

    rotativ se va referi strict la motorul MDR-2. Astfel, se vor exemplifica i explica modalitile

    de construcie ale motorului, avantajele i dezavantajele pe care acesta le prezint n

    comparaie cu cele clasice.

    Studiul acestui motor este justificat prin faptul c sistemul de distribuie folosit,

    uureaz eventualele ncercri de realizare a comprimrii variabile. n acest scop, este

    prezentat un mecanism care permite modificarea volumului camerei de ardere prin deplasarea

    chiulasei fa de blocul motor, acesta constituind i obiectul unui brevet.

    4.2. Principiul de funcionare al motorului MDR-2

    n figura 4.1 este prezentat o seciune prin motorul cu cma rotativ de distribuie.

    Motorul, fiind unul de cercetare, prezint blocul-carter executat din dou pri: carterul

    superior i cilindrul (blocul motor). Cmaa de distribuie 3 este plasat n cilindrul motorului,

    iar pistonul 4 se deplaseaz n interiorul cmii. Schimbul de gaze se realizeaz prin dou

    ferestre practicate la partea superioar a cmii (diametral opuse) i patru canale (dou de

    admisie i dou de evacuare) amplasate la partea superioar a cilindrului. Cmaa de

    distribuie se sprijin pe inelele din bronz 6 i 5, amplasate pe cilindru i respectiv pe carter.

    Acestea sunt fixate mpotriva rotirii cu cte un tift.

  • - 24 -

    Acionarea cmii de distribuie se realizeaz cu ajutorul roilor conice, 10 i 11 i

    cele cilindrice, 12 i 13, executate corp comun cu arborii 14 i 15, i dantura cmii de

    distribuie. Pentru a reduce zgomotul i pentru a avea posibilitatea de a realiza, eventual, un

    reglaj fin al distribuiei, roile cilindrice sunt executate cu dantur nclinat. n acest scop ar fi

    necesar executarea din dou buci a arborelui 14, cu dantura cilindric separat ca o roat

    baladoare, ceea ce ar permite ca la deplasarea din exterior s se modifice poziia ferestrelor de

    distribuie ale cmii n raport cu poziia pistonului. Cmaa de distribuie se rotete cu 1/4

    Figura 4.1 Seciune prin motorul cu cma rotativ de distribuie MDR-2 [38]

  • - 25 -

    fa de arborele cotit. Cu roile dinate conice se obine reducerea de 1/2 a turaiei, iar cu

    danturile cilindrice de pe arborele 14 i cmaa de distribuie se reduce turaia cu nc 1/2.

    Arborele 15, cu dantur cilindric, ndeplinete rolul unei roi parazite care permite obinerea

    spaiului necesar pentru amplasarea distribuitorului-delco, antrenat de la captul superior al

    arborelui 14. Prin intermediul roilor 16 i 17, este realizat antrenarea pompei de benzin i a

    distribuitorului-dozator de ulei. Roata dinat 17 este fixat pe un arbore prevzut cu o cam

    pentru acionarea pompei de benzin fixat n fa, pe capacul de distribuie. Pe partea lateral

    a capacului este amplasat distribuitorul-dozator antrenat de la arborele roii 17. Pompa de ulei

    21, este amplasat n carter, aceasta fiind acionat prin roata dinat 20, fixat pe arborele

    cotit. Din cauza poziiei i mrimii roilor conice 10 i 11, arborele cotit este prelungit cu un

    corp 18, pentru asigurarea montajului simeringului.

    4.2. Modaliti de construcie a motorului MDR-2

    Arhitectura camerei de ardere

    Distribuia prin ferestre, n general, ofer condiii mai bune pentru obinerea unei

    camere de ardere compact, cu bujia montat ct mai aproape de centru.

    Fig. 4.2 Variante posibile pentru camera de ardere [38]

  • - 26 -

    Avnd n vedere aceast posibilitate, construcia capului de cilindru (chiulasei) i a

    pistonului, a fost realizat n mai multe variante astfel nct, s se poat obine diferite camere

    de ardere care s fie ncercate din punctul de vedere al formei i al raportului de comprimare.

    Principalele camere de ardere care pot fi realizate sunt artate n figura 4.2. n figura

    4.2-a i 4.2-b sunt artate camerele de ardere n piston pentru cte patru rapoarte de

    comprimare: v = 6,7; v = 7,5; v = 8; i v = 8,7. Cele prezentate n figura 4.2-a formeaz un

    interstiiu cu suprafa mai mic dect cele din figura 4.2-b (D1 > D2), cu excepia camerei de

    form tronconic care formeaz acelai interstiiu, dar difer de camera cu acelai raport de

    comprimare (v = 6,7) numai prin arhitectur. n figura 4.2-c sunt artate camerele de ardere

    realizate n chiulas cu aceleai valori ale raportului de comprimare ca i cele din piston, dar

    cu un interstiiu diferit pentru fiecare raport de comprimare. Figura 4.2-d ilustreaz camera de

    ardere cilindric, deci cu forma cea mai simpl de realizat, fr a aduce modificri asupra

    pistonului sau a chiulasei.

    Construcia pistonului

    Spre deosebire de pistoanele de serie (figura 4.3), se va modifica numai partea

    superioar, obinndu-se astfel, dou tipuri de baz: 1 - pistoane cu fundul plat (figura 4.3-a);

    2- pistoane cu fundul profilat, corespunztor camerei de ardere dorit (figura 4.3-b).

    Fig. 4.3 Pistonul motorului MDR-2 [38]

  • - 27 -

    Pistoanele pot fi nlate cu l0 mm fa de cele de serie n vederea practicrii unor

    camere de ardere (figura 4.3-b). Pentru a pstra neschimbate celelalte componente ale

    motorului (cmaa de distribuie, cilindrul), se va menine aceeai nlime i pentru cele cu

    fundul plat. Toate pistoanele sunt turnate sub presiune n cochil, din acelai aliaj de aluminiu

    ca i cele de serie. De asemenea, au fost folosite aceleai prelucrri i tratament termic ca la

    pistoanele de serie.

    Construcia cmii rotative de distribuie

    Dup cum se observ din figura 4.5, cmaa de distribuie prezint la partea inferioar

    Fig. 4.4 Modelul 3D al pistonului

    Fig. 4.5 Cmaa rotativ de distribuie

  • - 28 -

    o coroan dinat necesar antrenrii ei, iar la partea superioar sunt practicate cele dou

    ferestre de distribuie de form dreptunghiular, dirijat spre interior cu o nclinaie de 15o. n

    zona coroanei dinate sunt practicate, n vederea uurrii, nite guri care servesc n acelai

    timp i pentru trecerea uleiului de ungere.

    4.3. Seciunile de trecere ale cmii rotative de distribuie

    n cazul distribuiei prin cma rotativ, seciunile de trecere a gazelor sunt

    determinate dup ce se stabilesc unghiurile de distribuie care caracterizeaz dimensiunile

    ferestrelor din cmaa de distribuie i cilindru, n planul transversal al acestuia.

    Relaiile de legtur dintre unghiuri sunt urmtoarele [1, 3]:

    4;

    4E

    ECA

    AC

    (4.1)

    unde: C [o] unghiul deschiderii ferestrelor din cmaa de distribuie (figura 4.7);

    A [o] unghiul deschiderii ferestrelor de admisie din cilindru;

    E [o] unghiul deschiderii ferestrelor de evacuare din cilindru;

    A [oRAC] durata admisiei;

    E [oRAC] durata evacurii.

    Fig. 4.6 Modelul 3D al sistemului de distribuie pentru punctul mort superior

  • - 29 -

    Avnd n vedere c monocilindrul MDR-2 a fost dezvoltat n baza caracteristicilor

    constructive ale motorului cu distribuie clasic produs n serie SR-211 pentru

    determinarea seciunilor de trecere s-au ales aceleai unghiuri de distribuie ca i la motorul cu

    supape. Astfel [8]:

    ][2264];[246 00 RACRACEA (4.2)

    unde: unghiul dintre mijlocul ferestrei de evacuare, respectiv admisie din cilindru;

    4 unghiul dintre mijlocul unghiului A respectiv, unghiul E la motorul cu

    supape.

    Seciunile de trecere realizate cu cmaa de distribuie pot fi calculate cu relaia:

    2

    1

    ldHA (4.3)

    unde: H nlimea ferestrelor de distribuie din cma i cilindru;

    l lngimea arcului de cerc corespunztor deschiderii ferestrelor;

    1, 2 unghiurile de distribuie corespunztoare nceputului i sfritului

    procesului de evacuare, respectiv admisie.

    Deoarece ferestrele sunt poziionate pe nlime n mod simetric fa de PMS, n jurul

    acestui punct, pistonul le va masca parial la sfritul evacurii i nceputul admisiei. n

    aceast zon nlimea ferestrelor de distribuie H` (figura 4.7), care este inclus de asemenea

    n relaia de calcul a seciunilor de trecere, se calculeaz cu relaia:

    pxH

    H 2

    ' (4.4)

    Fig. 4.7 Schem de calcul a seciunilor de trecere n cazul motorului MDR-2

  • - 30 -

    unde: H [mm] nlimea maxim a ferestrelor de distribuie, adoptat construtiv de

    25 [mm];

    xp deplasarea momentan a pistonului.

    Dup ce se traseaz deplasarea pistonului xp, n funcie de rotaia arborelui cotit, se

    poate stabili variaia nlimii H` n zona de mascare (figura 4.7).

    Lungimea arcului l variaz liniar cu unghiul de rotaie al arborelui cotit i astfel,

    seciunea de trecere a cmii de distribuie poate fi trasat dac se determin lungimea

    maxim a arcului corespunztoare deschiderii complete a celor dou ferestre:

    ][501802180

    2max mmD

    l

    (4.5)

    unde: D = 97 [mm] alezajul cilindrului.

    Seciunile de trecere oferite de cmaa de distribuie pentru evacuare i admisie sunt la

    fel, deoarece s-au adoptat aceleai dimensiuni pentru cele patru ferestre din cilindru.

    Pentru construcia motorului MDR-2 s-a plecat de la motorul cu distribuie prin supape

    (SR-211) [9] i prin urmare, calculul seciunilor de trecere pentru cmaa rotativ a fost

    realizat n concordan cu caracteristicile distribuiei clasice. Pentru realizarea unor comparaii

    Fig. 4.8 Variaia seciunilor de trecere pentru motorul MDR-2 cu distribuie prin cma rotativ

    Variaia seciunilor de trecere pentru motorul MDR-2 cu distribuie prin cma rotativ

    0

    10

    20

    30

    40

    50

    60

    70

    80

    90

    0 60 120

    180

    240

    300

    360

    420

    480

    540

    600

    660

    720

    780

    840

    900

    960

    1020

    1080

    [oRAC]

    Cur

    sa p

    isto

    nulu

    i [m

    m]

    0

    2

    4

    6

    8

    10

    12

    14

    Ari

    a se

    ciu

    nilo

    r de

    trec

    ere

    a ga

    zelo

    r [c

    m2 ]

    Cursa pistonului Arie admisieArie evacuare

    PMSPMS

  • - 31 -

    ntre cele dou tipuri de distribuie, au fost determinate i seciunile de trecere pentru motorul

    cu distribuie prin supape.

    Fig. 4.9 Variaia seciunii de trecere n cazul admisiei prin supap

    Variaia seciunii de trecere n cazul admisiei prin supap

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    10

    0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240

    [oRAC]

    Aa

    [cm

    2 ]

    Aa

    Fig. 4.10 Variaia seciunii de trecere n cazul evacurii prin supap

    Variaia seciunii de trecere n cazul evacurii prin supap

    0

    1

    2

    3

    4

    5

    6

    7

    8

    9

    0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

    110

    120

    130

    140

    150

    160

    170

    180

    190

    200

    210

    220

    230

    240

    250

    260

    [RAC]

    Ae

    [cm

    2 ]

    Ae

  • - 32 -

    4.4. Sistemul de variaie al raportului geometric de comprimare pentru motorul MDR-2

    ncercrile realizate pe motorul cu

    distribuie prin cma, n cadrul crora s-au

    folosit mai multe tipuri de chiulas (figura

    4.11) i pistoane (figura 4.12), au condus

    ctre alegerea unei variante optime pentru

    arhitectura camerei de ardere [4, 7]. Astfel,

    s-a constatat c motorul MDR-2

    funcioneaz n parametri normali atunci

    cnd a fost folosit varianta camerei de

    ardere ilustrat n figura 4.2-a. Aceast

    arhitectur a camerei de ardere este obinut

    prin folosirea pistonului cu camer Heron i

    a capacului de cilindru cu degajri

    corespunztoare ferestrelor de admisie,

    respectiv evacuare din cilindru.

    Aa cum se poate observa n figura

    4.2-a, arhitectura camerei de ardere

    adoptat ofer posibilitatea funcionrii

    motorului cu v = 8,7. Pentru obinerea

    unui interval de valori ale raportului

    geometric de comprimare disponibile

    pentru variaia acestuia, n primul rnd au

    fost realizate unele modificri la nivelul

    blocului motor, chiulasei i pistonului. S-a

    obinut astfel, un interval cuprins ntre

    8,7:1 i 10,2:1. Mecanismul de control al v, ce urmeaz a fi prezentat, va lucra n scopul

    variaiei volumului camerei de ardere i implicit a raportului geometric de comprimare (n

    mod continuu) n timpul funcionrii motorului, innd cont de informaiile transmise de

    anumii senzori referitoare la regimul de funcionare (sarcin i turaie).

    Fig. 4.11 Tipuri de chiulase pentru motorul MDR-2

    Fig. 4.12 Tipuri de pistoane pentru motorul MDR-2

  • - 33 -

    Evoluia raportului geometric de comprimare n funcie de reducerea nlimii camerei

    Heron din piston, poate fi urmrit n tabelul 4.1 [7].

    Din punct de vedere al rigiditii chiulasei n zonele de fixare ale acesteia pe cilindru

    prin intermediul prezoanelor 1 (figura 4.13), modificarea de 4mm a fost compensat prin

    montarea capacului de etanare 2. Acesta este fixat de chiulas prin intermediul celor patru

    uruburi 3, i are rolul de a asigura un circuit separat al lichidului de rcire pentru chiulas

    prin racordurile 4 [48].

    hHeron [mm]

    S [mm]

    Vheron [mm3]

    4 x Vd [mm3]

    Vs [mm3]

    Vc [mm3]

    Vc + VS [mm3]

    v

    16,6 85 58695,819 16660 628133,962 81267,668 709401,630 8,73

    15,4 83,8 54337,802 16660 619266,188 76909,651 696175,840 9,05

    13,6 82 47800,776 16660 605964,528 70372,625 676337,153 9,61

    13 81,4 45621,767 16660 601530,641 68193,616 669724,258 9,82

    12 80,4 41990,086 16660 594140,830 64561,935 658702,765 10,20

    11,6 80 40537,414 16660 591184,905 63109,263 654294,168 10,37

    10,4 78,8 36179,396 16660 582317,132 58751,245 641068,377 10,91

    9,6 78 33274,051 16660 576405,282 55845,901 632251,184 11,32

    Tabelul 4.1 Variaia v n funcie de nlimea camerei de ardere din piston

    Fig. 4.13 Detalii privind montarea capacului de etanare privind circuitul de rcire al chiulasei

  • - 34 -

    Dup realizarea modificrilor, pentru a varia volumul camerei de ardere este nevoie de

    un mecanism care s permit chiulasei s se deplaseze fa de cilindru.

    n figururile 4.14 i 4.15 [48] este prezentat mecanismul de control al v, care este

    format din arborele 1, montat cu excentric n lagrele 2 prin intermediul cuzineilor 3 i

    concentric n lagrele 4 prin intermediul cuzineilor 5. Lagrele 2 i 4 fac corp comun cu

    capacul de etanare 6, respectiv suportul fix 7. Acesta din urm este fixat fa de prezoanele 8

    prin intermediul piulielor 9 i corpurilor de fixare 10.

    Fig. 4.14 Modelul 3D al mecanismului de control v pentru motorul MDR-2

    Fig. 4.15 Seciune prin mecanismul de variaie al v pentru motorul

    MDR-2

  • - 35 -

    Controlul raportului geometric de comprimare n intervalul 8,5:1 10,2:1 este realizat

    n baza informaiilor primite de la anumii senzori referitoare la regimul de funcionare al

    motrului. Prin acionarea arborelui cu excentric 1, de ctre un actuator prin intermediul unui

    reductor melcat ntr-un sens sau altul, este realizat o deplasare de maxim 2mm a chiulasei 6

    fa de blocul motor 12 (figura 4.15).

    Folosirea acestui mecanism presupune ca racordurile 4 (figura 4.13) prin care este

    realizat rcirea chiulasei s fie modificate, rezultnd un nou tip de racord 11 (figura 4.14).

    Dei aceast variant se prezint la prima vedere ca fiind uor de implementat, n

    realitate exist numeroase complicaii din punct de vedere constructiv. Una dintre acestea o

    reprezint modul de ungere al lagrelor 2 i 4 (figura 4.15), accesul fiind dificil datorit

    spaiului redus dintre suportul fix 7 i capacul de etanare 6.

    4.5. Concluzii

    Studiul motorului cu distribuie prin ferestre i cma rotativ MDR-2 a fost

    realizat, n principal, datorit avantajului pe care acest sistem de distribuie l ofer n cazul

    implementrii unui mecanism de variaie a raportului geometric de comprimare, asemntor

    cu cel prezentat n acest capitol. Lipsa supapelor uureaz posibilitatea de a varia volumul

    camerei de ardere prin folosirea diferitelor metode ce implic deplasarea chiulasei fa de

    cilindru. De asemenea, distribuia prin ferestre, ofer condiii mai bune pentru obinerea unei

    camere de ardere ct mai compact, cu posibilitatea montrii bujiei ct mai aproape de centru.

    Prin posibilitatea folosirii mai multor tipuri de chiulas i piston, se pot obine diferite valori

    pentru volumul camerei de ardere i n acest mod, cercetrile asupra motorului MDR-2 pentru

    mai multe valori ale v, se pot realiza cu uurin.

    a) v = 10,2 b) v = 8,5 Fig. 4.16 Mecanismul de variaie a v n poziiile extreme

  • - 36 -

    Chiar dac sistemul de distribuie prin ferestre al motorului MDR-2 prezint unele

    avantaje fa de cel clasic, din punct de vedere al fiabilitii i al condiiilor actuale impuse

    funcionrii motoarelor cu ardere intern, distribuia prin supape rmne n continuare, cea

    mai bun variant. Totui, n cazul motorului MDR-2, cecetrile vizate n viitorul apropiat, se

    vor axa pe studiul diferitelor metode de realizare a etanrii cilindrului, acest lucru

    reprezentnd principalul dezavantaj al distribuiei prin cma rotativ. Eliminarea acestui

    inconvenient va conduce fr ndoial ctre propunerea unui nou tip de distribuie care va

    putea concura cu cel clasic.

    Dup eliminarea dezavantajelor distribuiei motorului MDR-2, se poate implementa cu

    uurin un sistem de variaie a raportului geometric de comprimare. Mecanismul descris,

    reprezentnd i obiectul unui brevet, este capabil s modifice volumul camerei de ardere

    printr-o deplasare de numai 2mm a chiulasei fa de blocul motor, producnd astfel o variaie

    a v n intervalul cuprins ntre 8,5:1 10,2:1.

  • - 37 -

    5. Determinarea strii de solicitare din componentele motoarelor cu raport de comprimare variabil

    5.1. Introducere

    Studiul solicitrilor este realizat prin intermediul metodei elementelor finite. Astfel,

    dup determinarea mrimilor forelor pentru o serie de poziii succesive ale mecanismului

    motor (funcie de unghiul de rotaie al arborelui cotit), cu ajutorul software-ului specializat

    Ansys, se va analiza gradul de solicitare asupra elementelor principale ale mecanismului

    motor MDR-2.

    5.2. Determinarea solicitrilor cmii rotative de distribuie i componentelor mecanismelor biel-manivel al motorului MDR-2

    5.2.1. Utilizarea metodei elementelor finite pentru calculul solicitrilor. Avantaje, dezavantaje i limitri

    Elementul finit tetraedral

    Cel mai simplu element finit

    care poate fi utilizat n analiza

    cmpurilor de deplasri i deformaii

    din corpurile solide tridimensionale

    este cel tetraedral (figura 5.1) [18].

    Acesta are patru fee triunghiulare i

    poate fi folosit n modelarea

    corpurilor cu form complex. n cele

    patru vrfuri ale tetraedrului (cele

    patru noduri) sunt considerate cte trei deplasri necunoscute. Numrul gradelor de libertate

    este: 3x4 = 12.

    Fig. 5.1 Elementul finit tetraedral [18]

  • - 38 -

    Elementul finit hexaedral

    Elementul finit tip hexaedru (figura 5.2) prezint trei grade de libertate pentru fiecare

    nod, numrul total al acestora fiind egal cu 24 [18].

    5.2.2. Analiza cmii rotative de distribuie

    n cazul cmii de distribuie a motorului

    MDR-2, dei se pot realiza mai multe modele cu

    grosimi i caracteristici ale materialului diferite,

    analiza cu elemente finite a fost efectuat pentru o

    cma din oel (OL 50), avnd ca dimensiuni

    principale (n mm) cele artate n figura 5.3.

    Trebuie precizat c, aceste dimensiuni nu au

    fost determinate pe cale analitic, ele fiind obinute

    prin msurtori asupra componentelor motorului

    MDR-2. Pentru eventuale optimizri, n cadrul crora

    se pot analiza mai multe cmi cu dimensiuni diferite

    fa de cele iniiale, modelul 3D al cmii rotative de

    distribuie a fost realizat parametrizat cu ajutorul

    programului Catia V5, urmndu-se paii prezentai n

    lucrarea [50].

    Fig. 5.2 Elementul finit tip hexaedru [18]

    Fig. 5.3 Principalele dimensiuni ale cmii de distribuie

  • - 39 -

    Respectndu-se legile micrii pistonului, evoluia presiunii n cilindru i a

    momentului monocilindric, au fost considerate dou cazuri n care asupra cmii rotative

    acioneaz forele exercitate de presiunea maxim a gazelor ( = 375oRAC) i momentul

    motor maxim ( = 385oRAC).

    Cazul nr. 1

    Presupunem poziia manivelei arborelui cotit la = 375oRAC. Conform

    cronomanogramei, n acest caz valoarea presiunii n cilindru este maxim. innd cont i de

    legile de micare ale pistonului, vom avea:

    Xp = 2 [mm] deplasarea pistonului;

    p = 6,796 [Mpa] presiunea gazelor din cilindru;

    Fg = 49328 [N] fora exercitat de presiunea gazelor asupra pistonului;

    F = 44005 [N] fora total care acioneaz n lungul axei cilindrului;

    M = 624 [Nm] momentul motor.

    Cu ajutorul programului Ansys, dup discretizarea modelului 3D (figura 5.5) n

    elemente finite tip hexaedru, presiunea gazelor i momentul motor au fost aplicate conform

    schiei ilustrat n figura 5.4.

    Fig. 5.4 Schema de calcul cores- -punztoare cazului nr. 1

    Fig. 5.5 Discretizarea modelului 3D al cmii rotative i aplicarea constrngerilor conform cazului nr. 1: A stabilirea suportului fix (ncastrare); B presiunea p distribuit uniform; C momentul motor M.

  • - 40 -

    Presiunea gazelor este aplicat modelului discretizat ca presiune distribuit prin

    intermediul a 2067 noduri, acestea reprezentnd zona solicitat maxim n acest caz i

    delimitat pe schema de calcul (figura 5.4) de cotele 165mm i 162,2mm. Momentul motor

    este aplicat ntregii cmi, n sens trigonometric de rotaie, prin intermediul a 131752 noduri.

    n figurile 5.6,...,5.9 sunt ilustrate deformaiile, rezistenele echivalente (von-Mises)

    precum i factorul de siguran corespunztor primului caz de analiz, att pentru ntreaga

    cma de distribuie, ct i pentru zonele de interes maxim.

    a) b)

    Fig. 5.6 Seciuni deformaii totale [mm] cma rotativ: a) perimetru fereastr; b) seciune longitudinal; c) seciune transversal;

    c)

  • - 41 -

    Fig. 5.7 Deformaiile totale [mm] i rezistena echivalent [MPa] ale cmii rotative

    a) b)

    c) d)

    Fig. 5.8 Deformaii [mm] dup axa X ale cmii: a) modelul 3D; b) seciune transversal;

    c) seciune longitudinal; d) perimetru fereastr

  • - 42 -

    n figurile 5.6 i 5.7 se poate observa c

    valoarea maxim a deformaiilor totale este

    prezent n partea superioar a cmii de

    distribuie (zona ferestrelor de distribuie). n ceea

    ce privete deformaiile dup axele X, Y, Z, valorile

    acestora sunt egale, n cazul axelor X i Z

    0,03mm (vezi figura 5.8), iar pentru axa Y,

    valoarea maxim este de 0,019mm, prezent tot n

    zona ferestrelor de distribuie.

    Deoarece poziia valorii maxime a

    deformaiilor totale este diferit fa de cele

    prezente n cazul deformaiilor dup axele X, Y i

    Z, au fost realizate seciuni diferite aa cum poate fi observat n figurile 5.6, 5.7. Astfel, pentru

    deformaiile totale, seciunea 1-2 (figura 5.6-b) este definit prin punctele 1(42,808; 27,722;

    208,2) i 2(42,808; 27,722; 0), unde coordonatele sunt date n mm, iar sistemul de coordonate

    este cel prezentat n figurile 5.4 i 5.5. n cazul deformaiilor dup axa X, seciunea 1-2 (figura

    5.8-c) este definit prin punctele 1(22,706; -45,667; 208,2) i 2(22,706; -45,667; 0). n ceea ce

    privete seciunea transversal (figurile 5.6-c i 5.8-b), aceasta este aceeai n toate cazurile,

    definit prin lungimea arcului de cerc corespunztor seciunii cmii de distribuie.

    n figurile 5.10 i 5.11 sunt prezentate graficele evoluiei deformaiilor cmii de

    distribuie n zonele descrise anterior.

    Fig. 5.9 Factorul de siguran

    a)

    Fig. 5.10 Deformaii totale seciune transversal cma rotativ

  • - 43 -

    Fig. 5.11 Deformaii dup axa X cma de distribuie: a) seciune transversal;

    b) seciune longitudinal; c) perimetru fereastr.

    a)

    b)

    c)

  • - 44 -

    n cazul n care se ia n considerare i influena cmpului de temperaturi prezent n

    camera de ardere, atunci solicitrile, n mod evident, vor fi mai mari. n mod asemntor

    cazului anterior, sunt determinate i prezentate n figurile 5.12,...,5.14, solicitrile cmii de

    distribuie atunci cnd n analiza cu elemente finite este introdus o valoare a temperaturii de

    473,15K (fa de 296,15K anterior).

    a) b) c)

    d) e)

    Fig. 5.12 Rezultatele analizei MEF atunci cnd se ia n considerare i influena temperaturii:

    a) Deformaii totale; b) Rezistenele echivalente (von-Mises); c) Deformaii totale seciune longitudinal; d) Deformaii totale seciune transversal; e) Deformaii totale perimetru fereastr.

  • - 45 -

    a) b)

    c) d)

    Fig. 5.13 Deformaiile dup axa X: a) modelul 3D; b) seciune longitudinal; c) seciune

    transversal; d) perimetru fereastr.

    Fig. 5.14 Factorul de siguran

  • - 46 -

    b)

    c)

    a)

    Fig. 5.15 Deformaiile dup axa X ale cmii de distribuie:

    a) seciune longitudinal; b) seciune transversal; c) perimetru fereastr de distribuie.

  • - 47 -

    a) b) c)

    d) e) f )

    Fig. 5.16 Rezultatele analizei cmii de distribuie n cazul reducerii cu 1 mm a diametrului exterior: a) deformaii totale; b) deformaii dup axa X; c) deformaii dup axa Y; d) deformaii dup axa Z; e) rezistenele echivalente; f ) factorul de siguran.

    a) b) c)

    Fig. 5.17 Deformaiile maxime n cazul majorrii Dext cma cu 1 mm i v de la 10,2:1 la 11,6:1:

    a) totale; b) dup axa X; c) dup axa Y.

  • - 48 -

    5.2.3. Analiza pistonului

    n cazul pistonului MDR-2, dup discretizarea modelului 3D n elemente finite tip

    tetraedru (figura 5.19-a) nsumnd 500971 noduri, au fost aplicate constrngerile aa cum pot

    fi observate n figura 5.19-b. Presiunea gazelor este aplicat uniform pe suprafaa pistonului,

    iar suportul fix este definit prin locaurile bolului.

    Fig. 5.18 Rezistenele echivalente i factorul de siguran pentru majorarea Dext cma cu 1 mm i v de la 10,2:1 la 11,6:1

    a) b) Fig. 5.19 Discretizarea (a) i aplicarea constrngerilor (b) pistonului modelul 3D: A suportul fix; B presiunea gazelor.

  • - 49 -

    Valoarea presiunii aplicat asupra modelului 3D este cea maxim nregistrat atunci

    cnd motorul funcioneaz cu raportul geometric de comprimare 10,2:1 (pentru = 375o RAC

    pg = 6,796MPa).

    Rezultatele analizei cu elemente finite atunci cnd se iau n considerare i valorile

    temperaturii mai sus menionate, pot fi urmrite n figurile 5.20,..., 5.22.

    a) b)

    Fig. 5.20 Deformaiile dup axele X (a) i Y (b) ale pistonului

    a) b)

    Fig. 5.21 Deformaiile dup axa Z (a) i deformaiile totale (b)

  • - 50 -

    a) b) Fig. 5.22 Rezistenele echivalente (a) i factorul de siguran (b)

    Fig. 5.23 Graficele deformaiilor mantalei dup axele X (a) i Y (b)

    Deformaii dup axa Y - manta piston

    -1,00E-02

    -8,00E-03

    -6,00E-03

    -4,00E-03

    -2,00E-03

    0,00E+00

    2,00E-03

    4,00E-03

    6,00E-03

    8,00E-03

    1,00E-02

    8 38 68 98 128 158 188 218 248 278 308

    Lungimea arcului de cerc corespunztor mantalei [mm]

    Def

    orm

    aii

    [m

    m]

    b)

    a)

    Deformaii dup axa X - manta piston

    -7,00E-03

    -5,00E-03

    -3,00E-03

    -1,00E-03

    1,00E-03

    3,00E-03

    5,00E-03

    7,00E-03

    8 38 68 98 128 158 188 218 248 278 308

    Lungimea arcului de cerc corespunztor mantalei [mm]

    Def

    orm

    aii

    [mm

    ]

  • - 51 -

    Odat cu deformarea pistonului, canalele pentru segmeni se nclin fa de planul

    transversal, mpiedicnd aplicarea normal a acestora pe oglinda cilindrului. Chiar dac

    segmenii sunt proiectai i construii corespunztor, sarcina lor de etanare nu poate fi

    ndeplinit integral dac pistonul funcioneaz cu jocuri diametrale mari.

    n figura 5.24 pot fi umrite graficele deformaiilor canalelor de segmeni dup axele

    X i Y, n cazul crora, de asemenea, valorile maxime nu trebuie s depeasc jocul diametral

    impus modelului fizic (0,097mm pe raz).

    Fig. 5.24 Deformaiile dup axele X i Y ale canalelor de segmeni: - primul segment de compresie: a) deformaii dup axa X; b) deformaii dup axa Y; - al 2-lea segment de compresie: c) deformaii dup axa X; d) deformaii dup axa Y; - segmnetul de ungere: e) deformaii dup axa X; f) deformaii dup axa Y;

    a) b) c)

    d) e) f)

  • - 52 -

    Aa cum se poate urmri n figura 5.24, valoarea maxim a deformaiile dup axele X

    i Y n regiunea port segmeni (0,026mm dup axa Y) este nregistrat n dreptul canalului

    segmentului de ungere, deoarece seciunea transversal corespunztoare acestuia, este redus

    din cauza orificiilor pentru evacuarea uleiului raclat de segment. Cu toate acestea, valoarea

    jocului c` nu este depit.

    n figurile 5.25 i 5.26 pot fi urmrite graficele deformaiilor canalelor de segmeni

    trasate conform seciunilor prezentate n figura 5.40.

    5.2.4. Analiza bielei

    Deformaiile canalelor de segmeni dup axa X

    -3,00E-02

    -2,50E-02

    -2,00E-02

    -1,50E-02

    -1,00E-02

    -5,00E-03

    0,00E+00

    5,00E-03

    1,00E-02

    1,50E-02

    2,00E-02

    2,50E-02

    3,00E-02

    0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300

    Lungimea arcului de cerc corespunztor seciunii [mm]

    Def

    orm

    aii

    [mm

    ]

    X-canal segment 1 compresie

    X-canal segment 2 compresie

    X-canal segment ungere

    Fig. 5.25 Deformaiile canalelor de segmeni dup axa X

    Deformaiile canalelor de segmeni dup axa Y

    -3,00E-02

    -2,50E-02

    -2,00E-02

    -1,50E-02

    -1,00E-02

    -5,00E-03

    0,00E+00

    5,00E-03

    1,00E-02

    1,50E-02

    2,00E-02

    2,50E-02

    3,00E-02

    0 15 30 45 60 75 90 105 120 135 150 165 180 195 210 225 240 255 270 285 300

    Lungimea arcului de cerc corespunztor seciunii [mm]

    Def

    orm

    aii

    [mm

    ]

    Y-canal segment 1 compresie

    Y-canal segment 2 compresie

    Y-canal segment ungere

    Fig. 5.26 Deformaiile canalelor de segmeni dup axa Y

  • - 53 -

    5.2.4. Analiza bielei

    Solicitarea la ntindere

    Fora de ntindere Ft

    (figura 5.27-a), are valoarea

    maxim atunci cnd pistonul se

    afl la PMS (nceputul cursei de

    admisie), deci fora de presiune

    a gazelor este neglijabil.

    Pentru analiza MEF cu

    programul Ansys, fora de

    ntindere este distribuit

    uniform pe jumtatea superioar

    a piciorului (figura 5.28).

    Valoarea maxim introdus

    corespunde cu cea a forei de

    inerie calculat cu relaia:

    ][332,164812 NrmF bmpt , (5.1)

    unde: mp = 0,813[kg] masa grupului piston;

    rm = 0,0155[m] raza medie a piciorului bielei (figura 5.50-b);

    = 314,159[rad/s] viteza unghiular a arborelui cotit calculat pentru turaia

    n = 3000[rot/min];

    b = 0,3012 raportul raz manivel/lungime biel.

    Fig. 5.27 Schem de calcul pentru solicitarea la ntindere: a) dimensiuni caracteristice corpului de biel; b) piciorul bielei; c) capul bielei

    ti te

    ti

    ti

  • - 54 -

    Discretizarea modelului 3D

    al bielei a fost realizat pentru

    fiecare component n parte, astfel:

    a) pentru corpul i capul bielei s-au

    folosit elemente tip tetraedru

    nsumnd 254 688 noduri (figura

    5.29-a); b) pentru buca din piciorul

    bielei i cuzineii capului

    elemente tip hexaedru nsumnd

    146 203 noduri (figura 5.29-b).

    Fiecrei componente a fost

    atribuit materialul corespunztor,

    astfel: 41MoC11 pentru biel; CuAl

    10Fe3 pentru buca din piciorul

    bielei; CuSn12Ni pentru cuzineii

    montai n capul bielei.

    n cadrul analizei, ntre

    componentele modelului 3D

    (feele de contact ntre: cuzinei

    i capul de biel; buca i

    piciorul bielei; corpul i capul

    bielei), au fost stabilite pentru

    simplificarea calculelor,

    constrngeri de tipul ,,Bonded,

    conform creia nu sunt permise

    alunecri sau separri ntre feele ori muchiile modelelor 3D. Acest tip de contact permite

    obinerea unor soluii liniare, deoarece lungimea/aria elementelor constrnse nu se vor

    schimba n timpul aplicrii forei Ft.

    n figura 5.30 pot fi urmrite rezultatele analizei cu elemente finite pentru biela MDR-

    2 atunci cnd modelul 3D este solicitat de ctre fora de ntindere Ft, calculat anterior (relaia

    5.1) i aplicat conform schemei prezentat n figura 5.27-a.

    Fig. 5.28 Aplicarea constrngerilor asupra bielei MDR-2 modelul 3D: A suportul fix; B fora de ntindere.

    a) b)

    Fig. 5.29 Discretizarea bielei modelul 3D: a) corpul i capul

    bielei; b) cuzineii montai n capul bielei

  • - 55 -

    Aa cum se poate observa n figura 5.30-d, valoarea maxim a deformaiilor este

    nregistrat n dreptul piciorului bielei, pe direcia axei Z (0,0106mm). Aceasta nu trebuie s

    depeasc 1/2 din jocul de montaj pentru a se preveni gripajul bolului. La motorul MDR-2,

    bolul fiind flotant, acest joc este ` = 0,0015 deb = 0,0375mm, unde deb = 25mm reprezint

    diametrul exterior al bolului. n acest caz, deformaiile modelului 3D, conform sistemului de

    coordonate folosit (figurile 5.27-a i 5.28), deformaiile dup axele Y i Z necesit o atenie

    special.

    a) b) c)

    Fig. 5.30 Rezultatele analizei modelului 3D al bielei MDR-2: a) deformaiile totale; b), c), d) deformaiile dup axele X, respectiv Y, Z; e) rezistenele echivalente; f) factorul de siguran

    d) e) f)

  • - 56 -

    n figurile 5.31 i 5.32 pot fi urmrite grafic, modul n care evolueaz deformaiile

    diametrului interior i exterior al piciorului bielei, respectiv bucei montat n picior, precum

    i deformaiile seciunii longitudinale a corpului de biel.

    Deformaiile dup axele Y i Z ale diametrului interior buc, respectiv picior biel

    -4,00E-03

    -2,00E-03

    0,00E+00

    2,00E-03

    4,00E-03

    6,00E-03

    8,00E-03

    1,00E-02

    1,20E-02

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85

    Lungimea arcului de cerc corespunztor diametrului [mm]

    Def

    orm

    aii

    [mm

    ] Y - Di bucZ - Di bucY - Di piciorZ - Di picior

    Deformaii dup axele Y i Z - diametru exterior picior biel

    -3,00E-03

    -2,00E-03

    -1,00E-03

    0,00E+00

    1,00E-03

    2,00E-03

    3,00E-03

    4,00E-03

    5,00E-03

    6,00E-03

    7,00E-03

    8,00E-03

    9,00E-03

    1,00E-02

    1,10E-02

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115

    Lungimea arcului de cerc corespunztor diametrului [mm]

    Def

    orm

    aii

    [mm

    ]

    Y - De piciorZ - De picior

    a)

    b)

    Fig. 5.31 Deformaiile dup axele Y i Z diametru interior buc, respectiv picior biel (a) i diametru exterior picior biel (b)

  • - 57 -

    n cazul deformaiilor corpului bielei (figura 5.32), graficele au fost trasate pentru

    seciunea longitudinal (figura 5.49) definit prin punctele 1(0; 0; 149,5) i 2(0; 0; 28,5), unde

    coordonatele sunt date n mm, iar sistemul de coordonate este cel prezentat n figurile 5.27-a

    i 5.28. Valoarea maxim a deformaiilor totale (0,056mm) este nregistrat n punctul de

    coordonate (0; 0; 141,75), corespunztor seciunii m m (figura 5.27-a).

    Fig. 5.32 Deformaii dup axele X, Y i Z seciune longitudinal corp biel

    Deformaii dup axele X , Y , Z - seciune longitudinal corp biel

    0,00E+00

    1,00E-05

    2,00E-05

    3,00E-05

    4,00E-05

    5,00E-05

    6,00E-05

    7,00E-05

    8,00E-05

    9,00E-05

    1,00E-04

    1,10E-04

    1,20E-04

    1,30E-04

    0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90 95 100 105 110 115 120

    Lungime corp biel [mm]

    Def

    orm

    aii

    dup

    axe

    le X

    , Y [m

    m]

    0,00E+00

    5,00E-04

    1,00E-03

    1,50E-03

    2,00E-03

    2,50E-03

    3,00E-03

    3,50E-03

    4,00E-03

    4,50E-03

    5,00E-03

    5,50E-03

    6,00E-03

    Def

    orm

    aii

    dup

    axa

    Z [m

    m]

    X

    Y

    Z

    a) b) c)

    Fig. 5.33 Deformaiile dup axele X, Y, Z ale seciunii longitudinale corp biel modelul 3D

  • - 58 -

    n cazul capului de biel fora de ntindere este mai mare, deoarece n relaia 5.1 este

    introdus i masa corpului bielei. Astfel, fora Ft va fi:

    ][62501 212 NmmmmrF cbbbbpt , (5.2)

    unde: m1b = 0,223[kg] masa concentrat n axa piciorului bielei;

    m2b = 0,583[kg] masa concentrat n axa capului bielei;

    mcb = 0,178[kg] masa capacului de biel.

    Pentru determinarea deformaiilor n acest caz, a fost efectuat o analiz separat n

    cadrul creia constrngerile au fost aplicate conform figurii 5.34.

    Valoarea maxim a tensiunilor echivalente (figura 5.35) apar i n acest caz, n dreptul

    suprafeelor de contact dintre capac i corpul bielei. Deformaiile maxime ale capului de biel

    (figura 5.36-a) nu trebuie s depeasc 1/2 din jocul realizat la montajul bielei cu manetonul,

    n cazul motorului MDR-2 fiind = 0,003 dM = 0,171mm (unde dM = 57mm diametrul

    manetonului). Pentru verificarea ndeplinirii acestei condiii, n figurile 5.37,..., 5.40 sunt

    ilustrate seciunile stabilite pentru diametrul interior al capului bielei, respectiv cuzinetului,

    precum i graficele deformaiilor corespunztoare acestor seciuni.

    Fig. 5.34 Stabilirea constrn- gerilor bielei: A-suportul fix; B-fora Ft

    a) b)

    Fig. 5.35 Tensiunile echivalente (a) i factorul de siguran (b)

  • - 59 -

    a) b) c)

    d) e) f)

    g)

    Fig. 5.36 Deformaii biel MDR-2 modelul 3D: a) totale; b), c), d) dup axele X, Y, Z - diametru interior cap biel; e), f), g) dup axele X, Y, Z diametru interior cuzinet cap biel

  • - 60 -

    Pentru trasarea graficelor deformaiilor