Licenta finala
-
Upload
catapopa89 -
Category
Documents
-
view
181 -
download
3
Transcript of Licenta finala
Cap 7 Construcţia şi calculul cămăşii cilindrului
71 Alegerea materialului
Materialul din care este confecționată cămăşa cilindrului trebuie să asigure rezistenţă la solicitări dinamice şi mai ales la uzură ținacircnd seama că funcţionează icircn condiţii de frecare deosebit de nefavorabile Se impune utilizarea unor materiale speciale fapt icircngreunat icircn cazul soluţiilor constructive la care cămaşa face corp comun cu blocul motorului Materialul cel mai folosit este fonta cenuşie aliată de obicei cu crom care asigură o rezistenţă sporită la uzurăIcircn tabelul de mai jos se prezintă unele materiale pentru cămăşi uscate sau umede grupate după proprietăţile determinate de elementele de aliere
Fonte speciale pentru cămăși turnate centrifugal
Aliată cu Cr standard
Aliată cu Cr cu rezistenţă mare la frecare
Aliată cu Cr-Ni cu rezistenţă sporita la frecare si rezistenţă la solicitari mecanice
Aliată cu Cr-Mo cu rezistenţă sporită la frecare și rezistenţă la solicitari termice
Aliată cu Cr-Mo cu conținut mare de carbon și foarte bune proprietăți de alunecare
Compoziția chimică C 320-350 320-350 320-350 320-350 380-430Si 180-220 180-220 180-220 180-220 100-140Mn 060-100 060-100 060-100 060-100 010-035P 030-050 050-090 030-050 030-050 010-040S max 007 max 007 max 007 max 007 max 004Cr 020-050 020-050 020-050 020-050 020-040Ni - - 050-080 - -Mo - - - 030-060 020-060Caracteristicile mecaniceDuritatea HB
200-260 220-280 220-280 230-290 180-240
Rezistența la inconvoiere MPa
min 440 min 420 min 480 min 460 min 400
Rezistența la icircntindere MPa
min 240 min 220 min 260 min 280 min 200
1
Procedeul modern cel mai des icircntacirclnit de realizare a cămăşilor de cilindru din fontă specială este turnarea centrifugală Prin acest procedeu se realizează cămăşi lipsite de pori şicu adaosuri de prelucrare minime De obicei turnarea se face pe maşini de turnat cu mai multe posturi tip carusel grosimea peretelui asiguracircndu-se prin cantitatea de metal introdusă icircn formă Nu se exclud nici alte procedee de turnare statică icircn forme metalice sau amestec de formare Icircn acest caz turnarea se face icircn poziţie verticală
Icircntrucacirct răcirea cămăşilor se face rapid trebuie mărit conţinutul de siliciu (18-22) care are rol de grafitizare şi continutul de fosfor (03-09) pentru mărirea fluidităţii Pentru evitarea apariţiei fontei albe ca urmare a răcirii prea rapide a cămăşilor la exterior formele metalice se căptuşesc cu un strat termoizolator
Duritatea cămăşilor la majoritatea fontelor speciale variază icircn limitele 200-280 HBPentru mărirea durabilităţii cămăşilor de cilindru unele firme executa o nitrurare icircn băi de săruri (de ex nitrurarea după procedeul Tenifer temperatura 570 plusmn 10degC şi durată 180 min) operaţie ce se introduce după honuirea de degroşare
Icircn vederea icircmbunătăţirii rodării cămăşilor după honuirea finală se execută o fosfatare a suprafeţei de lucru După această operaţie nu se mai admite decacirct decaparea cu soluţie de acid sulfuric 15 timp de 1 min Pentru mărirea durabilităţii şi păstrării formei cămăşile din aliaje uşoare se cromează sau se metalizează Cromul se depune electrolitic iar metalizarea se face cu oţel Ambele straturi au pe suprarfata pori care reţin uleiul util icircn perioada de rodaj Stratul de crom depus electrolitic direct pe suprafaţa cilindrului din aliaje uşoare trebuie să aibă grosimea de 50-60 μm La metalizare se depune mai icircntacirci un strat intermediar de molibden de 20-30 μm care asigură o legătură bună icircntre oţel şi aliajul uşor iar apoi picircnă la grosimea de 50-90 μm se depune un strat de oţel special
Totuşi cel mai utilizat procedeu este icircnglobarea la turnarea cilindrilor din aliaje uşoare a unor bucşe din fontă specială Cămaşa cilindrului care este din fontă se executa icircn partea exterioară cu o rugozitate foarte mare şi se icircntroduce icircn formă de turnare a cilindrului astfel icircncacirct icircn timpul turnării se produce o icircnglobare a acesteia de către masă de aliaj uşor
Pentru realizarea unei icircmbinări intime icircntre oţel (fontă) şi aliajul uşor care se oxidează foarte repede s-a elaborat procedeul ALFIN care constă icircn realizarea unui strat nemetalic intermediar din FexAly care interacţionează atacirct cu aluminiul cacirct şi cu otelul Stratul intermetalic este de obicei de grosime 002-003 mm avacircnd o rezistenţă la tracţiune de 80-120 MPa iar la forfecare o rezistenţă de 40-60MPaProcedeul se poate aplică şi la alte cupluri de metale icircn afară de oţel şi aluminiu ca de extitan şi nichel icircn loc de oţel şimagneziu sau aliaj de magneziu icircn loc de aluminiu dar nu se pretează la turnarea icircn cochilie
72 Alegerea tipului de cămașă
Cămaşa cilindrului sau cilindrul este organul motorului icircn interiorul căruia se realizează ciclul motor fiind supus forţei de presiune a gazelor şi tensiunilor termice suprafaţa de lucru a acestuia fiind supusă şi la un intens proces de uzură
2
Aceste condiţii de funcţionare impun cămăşii cilindrului următoarele cerinţe
rezistenţă la acţiunea (presiunea şi temperatura) fluidului motor rezistenţă la uzură rezistenţă la coroziune a suprafeţei de lucru şi a aceleia icircn contact cu mediul
de răcire etanşeitate faţa de gacirczele din interior şi de mediul de răcire din exterior
După modul de asamblare cu blocul motorului se disting trei soluții constructive
cămaşă integrală (face corp comun cu blocul cilindrilor) cămaşă uscată cămaşă umedă
La proiectarea motorului constructorul are de ales una din soluţii cu avantajele şi dezavantajele specifice alegere care hotărăşte construcţia motorului icircn ansamblu
Avantajale şi dezavantajele diferitelor construcţii ale cămăşii cilindrului
Variante constructive Avantaje DezavantajeCamașă integrală Bloc de cilindrii foarte
rigidPresiune uniformă icircntre chiulasă si blocPosibilitatea realizarii de icircnălțimi mici a cilindrilor
Pretenții mari la turnarea blocului tehnologii foarte bine puse la punctNecesitatea turnării blocului dintr-un material mai scump pentru asigurarea calităților de frecare ale cămășilor
Camașă uscată Bloc de cilindrii foarte rigid datorită unei bune legaturi intre placa superioară si pereții lagărelorPosibilitatea realizării celor mai mici inălțimi a cilindrilor prin decupări in partea inferioară a cămășii pentru trecerea bielei icircn cazul ieșirii pistonuluiPosibilitatea reparării prin icircnlocuirea unei cămăși Libertate mare la alegerea materialului cămășii si a blocului
Transfer mai slab de caldura către mediul de racirePrelucrare pretențioasă a blocului si a exteriorului cămășii deci cost ridicatRealizarea unui bloc cu miezuri complicate greu de fixat in forme de unde posibilitatea unui rebut sporit la turnare
3
Camașă umedă Asigură cel mai bun schimb de căldură către mediul de racire Libertate mare la alegerea materialului cămășiiCondiții de reparații ușoare a motorului prin schimbarea unei cămăși chiar pe autovehiculPrelucrare in volum redusRealizarea unui bloc cu miezuri simple și solide bine fixate in forme cu posibilități minime de rebut la turnare
Bloc mai putin rigidGrosimea pereților cămășii mai mare pentru asigurarea rezistenței necesare
Cămaşa integrală se utilizează la mas şi rar la mac mici şi puţin solicitate
Cămaşa uscată se utilizează la mas şi la mac avacircnd diametrul cilindrului max 125 mm Cămaşa uscată se executa ca o bucşă simplă presată icircn bloc şi prelucrată ulterior cu sprijin icircn partea superioară constructive mai frecvent icircntacirclnită sau icircn partea inferioară Pină nu demult cămăşile uscate indiferent de execuţie se presau icircn bloc şi după aceea se prelucrau final (execuţia este şi astăzi obligatorie pentru cazul icircn care blocul este din aliaje uşoare)
a) presata b) libera cu sprijin la partea c) libera cu sprijin la superioara partea inferioara
Camasi uscate
Cămaşa umedă se utilizează atacirct la mas cacirct şi la mac Particularitatea constructive de baza a cămăşii umede este aceea că fiind icircn legătură directă cu mediul de răcire pe lacircngă faptul că trebuie să reziste la forţa gazelor trebuie să
4
realizeze şi etanşarea faţa de mediul de racier icircn părţile superioară şi inferioară Icircn funcţie de modul de fixare icircn bloc şi de felul icircn care se face etanşarea se deosebesc trei soluţii constructive
Cămașa de cilindru umeda
a) cu sprijin la partea superioară b) cu sprijin la partea inferioară c) cu sprijinul icircntr-o zonă mediană
Cămaşa cu umăr icircn partea de sus realizează prin acesta şi etanşarea faţa de mediul de răcire Icircn partea inferioară cămaşa este numai ghidată iar etanşarea se realizează cu inele O de cauciuc
Icircntrucacirct cămaşa umedă trebuie să reziste la forţă de presiune a gazelor grosimea acesteia este mai mare ca la cămaşa uscată la proiectare putacircndu-se adoptă o grosime de 005-006 din diametrul cilindrului Trecerea de la umăr la partea cilindrică se face cu o porţiune conică cu o icircnclinare de 2-5deg pe lungimea de 20-30 mm iar racordarea la umăr cu o raza de 1-2 mm Suprafaţa de aşezare a gulerului atacirct la cămaşă cacirct şi icircn locaşul din bloc trebuie să fie plană şi perpendicular pe axa cămăşii rugozitatea admisă pentru această suprafaţă fiind R=08 μm La proiectare trebuie avut icircn vedere că umărul de sprijin şi ghidare a cămăşii să dea o icircncovoiere minima a cămăşii că urmare a stracircngerii chiulasei
Cămaşa trebuie să depăşească faţa de sus a blocului cu 006-015 mm funcţie de materialul garniturii de chiulasă Pentru protejarea garniturii de chiulasă la acţiunea gazelor fierbinţi unele cămăşi se executa cu o supraicircnălţare dimensionată icircn funcţie de grosimea şi elasticitatea garniturii de chiulasă
Ca şi la cămăşile uscate camera de răcire trebuie să se icircntindă peste zona primului segment cacircnd pistonul se afla la pmi şi sub zona ultimului segment de ungere cacircnd pistonul se afla la pme
Cămăşile de cilindru se toarnă de obicei din fontă dar pentru icircmbunătăţirea schimbului de căldura se executa şi cămăşi din materiale cu conductibilitate mai mare (aliaje de aluminiu) Acestea icircnsă au dezavantajul că necesită icircn mod obligatoriu durificarea suprafeţei de lucru La mas mai mici se poate realiza cromarea
5
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Procedeul modern cel mai des icircntacirclnit de realizare a cămăşilor de cilindru din fontă specială este turnarea centrifugală Prin acest procedeu se realizează cămăşi lipsite de pori şicu adaosuri de prelucrare minime De obicei turnarea se face pe maşini de turnat cu mai multe posturi tip carusel grosimea peretelui asiguracircndu-se prin cantitatea de metal introdusă icircn formă Nu se exclud nici alte procedee de turnare statică icircn forme metalice sau amestec de formare Icircn acest caz turnarea se face icircn poziţie verticală
Icircntrucacirct răcirea cămăşilor se face rapid trebuie mărit conţinutul de siliciu (18-22) care are rol de grafitizare şi continutul de fosfor (03-09) pentru mărirea fluidităţii Pentru evitarea apariţiei fontei albe ca urmare a răcirii prea rapide a cămăşilor la exterior formele metalice se căptuşesc cu un strat termoizolator
Duritatea cămăşilor la majoritatea fontelor speciale variază icircn limitele 200-280 HBPentru mărirea durabilităţii cămăşilor de cilindru unele firme executa o nitrurare icircn băi de săruri (de ex nitrurarea după procedeul Tenifer temperatura 570 plusmn 10degC şi durată 180 min) operaţie ce se introduce după honuirea de degroşare
Icircn vederea icircmbunătăţirii rodării cămăşilor după honuirea finală se execută o fosfatare a suprafeţei de lucru După această operaţie nu se mai admite decacirct decaparea cu soluţie de acid sulfuric 15 timp de 1 min Pentru mărirea durabilităţii şi păstrării formei cămăşile din aliaje uşoare se cromează sau se metalizează Cromul se depune electrolitic iar metalizarea se face cu oţel Ambele straturi au pe suprarfata pori care reţin uleiul util icircn perioada de rodaj Stratul de crom depus electrolitic direct pe suprafaţa cilindrului din aliaje uşoare trebuie să aibă grosimea de 50-60 μm La metalizare se depune mai icircntacirci un strat intermediar de molibden de 20-30 μm care asigură o legătură bună icircntre oţel şi aliajul uşor iar apoi picircnă la grosimea de 50-90 μm se depune un strat de oţel special
Totuşi cel mai utilizat procedeu este icircnglobarea la turnarea cilindrilor din aliaje uşoare a unor bucşe din fontă specială Cămaşa cilindrului care este din fontă se executa icircn partea exterioară cu o rugozitate foarte mare şi se icircntroduce icircn formă de turnare a cilindrului astfel icircncacirct icircn timpul turnării se produce o icircnglobare a acesteia de către masă de aliaj uşor
Pentru realizarea unei icircmbinări intime icircntre oţel (fontă) şi aliajul uşor care se oxidează foarte repede s-a elaborat procedeul ALFIN care constă icircn realizarea unui strat nemetalic intermediar din FexAly care interacţionează atacirct cu aluminiul cacirct şi cu otelul Stratul intermetalic este de obicei de grosime 002-003 mm avacircnd o rezistenţă la tracţiune de 80-120 MPa iar la forfecare o rezistenţă de 40-60MPaProcedeul se poate aplică şi la alte cupluri de metale icircn afară de oţel şi aluminiu ca de extitan şi nichel icircn loc de oţel şimagneziu sau aliaj de magneziu icircn loc de aluminiu dar nu se pretează la turnarea icircn cochilie
72 Alegerea tipului de cămașă
Cămaşa cilindrului sau cilindrul este organul motorului icircn interiorul căruia se realizează ciclul motor fiind supus forţei de presiune a gazelor şi tensiunilor termice suprafaţa de lucru a acestuia fiind supusă şi la un intens proces de uzură
2
Aceste condiţii de funcţionare impun cămăşii cilindrului următoarele cerinţe
rezistenţă la acţiunea (presiunea şi temperatura) fluidului motor rezistenţă la uzură rezistenţă la coroziune a suprafeţei de lucru şi a aceleia icircn contact cu mediul
de răcire etanşeitate faţa de gacirczele din interior şi de mediul de răcire din exterior
După modul de asamblare cu blocul motorului se disting trei soluții constructive
cămaşă integrală (face corp comun cu blocul cilindrilor) cămaşă uscată cămaşă umedă
La proiectarea motorului constructorul are de ales una din soluţii cu avantajele şi dezavantajele specifice alegere care hotărăşte construcţia motorului icircn ansamblu
Avantajale şi dezavantajele diferitelor construcţii ale cămăşii cilindrului
Variante constructive Avantaje DezavantajeCamașă integrală Bloc de cilindrii foarte
rigidPresiune uniformă icircntre chiulasă si blocPosibilitatea realizarii de icircnălțimi mici a cilindrilor
Pretenții mari la turnarea blocului tehnologii foarte bine puse la punctNecesitatea turnării blocului dintr-un material mai scump pentru asigurarea calităților de frecare ale cămășilor
Camașă uscată Bloc de cilindrii foarte rigid datorită unei bune legaturi intre placa superioară si pereții lagărelorPosibilitatea realizării celor mai mici inălțimi a cilindrilor prin decupări in partea inferioară a cămășii pentru trecerea bielei icircn cazul ieșirii pistonuluiPosibilitatea reparării prin icircnlocuirea unei cămăși Libertate mare la alegerea materialului cămășii si a blocului
Transfer mai slab de caldura către mediul de racirePrelucrare pretențioasă a blocului si a exteriorului cămășii deci cost ridicatRealizarea unui bloc cu miezuri complicate greu de fixat in forme de unde posibilitatea unui rebut sporit la turnare
3
Camașă umedă Asigură cel mai bun schimb de căldură către mediul de racire Libertate mare la alegerea materialului cămășiiCondiții de reparații ușoare a motorului prin schimbarea unei cămăși chiar pe autovehiculPrelucrare in volum redusRealizarea unui bloc cu miezuri simple și solide bine fixate in forme cu posibilități minime de rebut la turnare
Bloc mai putin rigidGrosimea pereților cămășii mai mare pentru asigurarea rezistenței necesare
Cămaşa integrală se utilizează la mas şi rar la mac mici şi puţin solicitate
Cămaşa uscată se utilizează la mas şi la mac avacircnd diametrul cilindrului max 125 mm Cămaşa uscată se executa ca o bucşă simplă presată icircn bloc şi prelucrată ulterior cu sprijin icircn partea superioară constructive mai frecvent icircntacirclnită sau icircn partea inferioară Pină nu demult cămăşile uscate indiferent de execuţie se presau icircn bloc şi după aceea se prelucrau final (execuţia este şi astăzi obligatorie pentru cazul icircn care blocul este din aliaje uşoare)
a) presata b) libera cu sprijin la partea c) libera cu sprijin la superioara partea inferioara
Camasi uscate
Cămaşa umedă se utilizează atacirct la mas cacirct şi la mac Particularitatea constructive de baza a cămăşii umede este aceea că fiind icircn legătură directă cu mediul de răcire pe lacircngă faptul că trebuie să reziste la forţa gazelor trebuie să
4
realizeze şi etanşarea faţa de mediul de racier icircn părţile superioară şi inferioară Icircn funcţie de modul de fixare icircn bloc şi de felul icircn care se face etanşarea se deosebesc trei soluţii constructive
Cămașa de cilindru umeda
a) cu sprijin la partea superioară b) cu sprijin la partea inferioară c) cu sprijinul icircntr-o zonă mediană
Cămaşa cu umăr icircn partea de sus realizează prin acesta şi etanşarea faţa de mediul de răcire Icircn partea inferioară cămaşa este numai ghidată iar etanşarea se realizează cu inele O de cauciuc
Icircntrucacirct cămaşa umedă trebuie să reziste la forţă de presiune a gazelor grosimea acesteia este mai mare ca la cămaşa uscată la proiectare putacircndu-se adoptă o grosime de 005-006 din diametrul cilindrului Trecerea de la umăr la partea cilindrică se face cu o porţiune conică cu o icircnclinare de 2-5deg pe lungimea de 20-30 mm iar racordarea la umăr cu o raza de 1-2 mm Suprafaţa de aşezare a gulerului atacirct la cămaşă cacirct şi icircn locaşul din bloc trebuie să fie plană şi perpendicular pe axa cămăşii rugozitatea admisă pentru această suprafaţă fiind R=08 μm La proiectare trebuie avut icircn vedere că umărul de sprijin şi ghidare a cămăşii să dea o icircncovoiere minima a cămăşii că urmare a stracircngerii chiulasei
Cămaşa trebuie să depăşească faţa de sus a blocului cu 006-015 mm funcţie de materialul garniturii de chiulasă Pentru protejarea garniturii de chiulasă la acţiunea gazelor fierbinţi unele cămăşi se executa cu o supraicircnălţare dimensionată icircn funcţie de grosimea şi elasticitatea garniturii de chiulasă
Ca şi la cămăşile uscate camera de răcire trebuie să se icircntindă peste zona primului segment cacircnd pistonul se afla la pmi şi sub zona ultimului segment de ungere cacircnd pistonul se afla la pme
Cămăşile de cilindru se toarnă de obicei din fontă dar pentru icircmbunătăţirea schimbului de căldura se executa şi cămăşi din materiale cu conductibilitate mai mare (aliaje de aluminiu) Acestea icircnsă au dezavantajul că necesită icircn mod obligatoriu durificarea suprafeţei de lucru La mas mai mici se poate realiza cromarea
5
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Aceste condiţii de funcţionare impun cămăşii cilindrului următoarele cerinţe
rezistenţă la acţiunea (presiunea şi temperatura) fluidului motor rezistenţă la uzură rezistenţă la coroziune a suprafeţei de lucru şi a aceleia icircn contact cu mediul
de răcire etanşeitate faţa de gacirczele din interior şi de mediul de răcire din exterior
După modul de asamblare cu blocul motorului se disting trei soluții constructive
cămaşă integrală (face corp comun cu blocul cilindrilor) cămaşă uscată cămaşă umedă
La proiectarea motorului constructorul are de ales una din soluţii cu avantajele şi dezavantajele specifice alegere care hotărăşte construcţia motorului icircn ansamblu
Avantajale şi dezavantajele diferitelor construcţii ale cămăşii cilindrului
Variante constructive Avantaje DezavantajeCamașă integrală Bloc de cilindrii foarte
rigidPresiune uniformă icircntre chiulasă si blocPosibilitatea realizarii de icircnălțimi mici a cilindrilor
Pretenții mari la turnarea blocului tehnologii foarte bine puse la punctNecesitatea turnării blocului dintr-un material mai scump pentru asigurarea calităților de frecare ale cămășilor
Camașă uscată Bloc de cilindrii foarte rigid datorită unei bune legaturi intre placa superioară si pereții lagărelorPosibilitatea realizării celor mai mici inălțimi a cilindrilor prin decupări in partea inferioară a cămășii pentru trecerea bielei icircn cazul ieșirii pistonuluiPosibilitatea reparării prin icircnlocuirea unei cămăși Libertate mare la alegerea materialului cămășii si a blocului
Transfer mai slab de caldura către mediul de racirePrelucrare pretențioasă a blocului si a exteriorului cămășii deci cost ridicatRealizarea unui bloc cu miezuri complicate greu de fixat in forme de unde posibilitatea unui rebut sporit la turnare
3
Camașă umedă Asigură cel mai bun schimb de căldură către mediul de racire Libertate mare la alegerea materialului cămășiiCondiții de reparații ușoare a motorului prin schimbarea unei cămăși chiar pe autovehiculPrelucrare in volum redusRealizarea unui bloc cu miezuri simple și solide bine fixate in forme cu posibilități minime de rebut la turnare
Bloc mai putin rigidGrosimea pereților cămășii mai mare pentru asigurarea rezistenței necesare
Cămaşa integrală se utilizează la mas şi rar la mac mici şi puţin solicitate
Cămaşa uscată se utilizează la mas şi la mac avacircnd diametrul cilindrului max 125 mm Cămaşa uscată se executa ca o bucşă simplă presată icircn bloc şi prelucrată ulterior cu sprijin icircn partea superioară constructive mai frecvent icircntacirclnită sau icircn partea inferioară Pină nu demult cămăşile uscate indiferent de execuţie se presau icircn bloc şi după aceea se prelucrau final (execuţia este şi astăzi obligatorie pentru cazul icircn care blocul este din aliaje uşoare)
a) presata b) libera cu sprijin la partea c) libera cu sprijin la superioara partea inferioara
Camasi uscate
Cămaşa umedă se utilizează atacirct la mas cacirct şi la mac Particularitatea constructive de baza a cămăşii umede este aceea că fiind icircn legătură directă cu mediul de răcire pe lacircngă faptul că trebuie să reziste la forţa gazelor trebuie să
4
realizeze şi etanşarea faţa de mediul de racier icircn părţile superioară şi inferioară Icircn funcţie de modul de fixare icircn bloc şi de felul icircn care se face etanşarea se deosebesc trei soluţii constructive
Cămașa de cilindru umeda
a) cu sprijin la partea superioară b) cu sprijin la partea inferioară c) cu sprijinul icircntr-o zonă mediană
Cămaşa cu umăr icircn partea de sus realizează prin acesta şi etanşarea faţa de mediul de răcire Icircn partea inferioară cămaşa este numai ghidată iar etanşarea se realizează cu inele O de cauciuc
Icircntrucacirct cămaşa umedă trebuie să reziste la forţă de presiune a gazelor grosimea acesteia este mai mare ca la cămaşa uscată la proiectare putacircndu-se adoptă o grosime de 005-006 din diametrul cilindrului Trecerea de la umăr la partea cilindrică se face cu o porţiune conică cu o icircnclinare de 2-5deg pe lungimea de 20-30 mm iar racordarea la umăr cu o raza de 1-2 mm Suprafaţa de aşezare a gulerului atacirct la cămaşă cacirct şi icircn locaşul din bloc trebuie să fie plană şi perpendicular pe axa cămăşii rugozitatea admisă pentru această suprafaţă fiind R=08 μm La proiectare trebuie avut icircn vedere că umărul de sprijin şi ghidare a cămăşii să dea o icircncovoiere minima a cămăşii că urmare a stracircngerii chiulasei
Cămaşa trebuie să depăşească faţa de sus a blocului cu 006-015 mm funcţie de materialul garniturii de chiulasă Pentru protejarea garniturii de chiulasă la acţiunea gazelor fierbinţi unele cămăşi se executa cu o supraicircnălţare dimensionată icircn funcţie de grosimea şi elasticitatea garniturii de chiulasă
Ca şi la cămăşile uscate camera de răcire trebuie să se icircntindă peste zona primului segment cacircnd pistonul se afla la pmi şi sub zona ultimului segment de ungere cacircnd pistonul se afla la pme
Cămăşile de cilindru se toarnă de obicei din fontă dar pentru icircmbunătăţirea schimbului de căldura se executa şi cămăşi din materiale cu conductibilitate mai mare (aliaje de aluminiu) Acestea icircnsă au dezavantajul că necesită icircn mod obligatoriu durificarea suprafeţei de lucru La mas mai mici se poate realiza cromarea
5
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Camașă umedă Asigură cel mai bun schimb de căldură către mediul de racire Libertate mare la alegerea materialului cămășiiCondiții de reparații ușoare a motorului prin schimbarea unei cămăși chiar pe autovehiculPrelucrare in volum redusRealizarea unui bloc cu miezuri simple și solide bine fixate in forme cu posibilități minime de rebut la turnare
Bloc mai putin rigidGrosimea pereților cămășii mai mare pentru asigurarea rezistenței necesare
Cămaşa integrală se utilizează la mas şi rar la mac mici şi puţin solicitate
Cămaşa uscată se utilizează la mas şi la mac avacircnd diametrul cilindrului max 125 mm Cămaşa uscată se executa ca o bucşă simplă presată icircn bloc şi prelucrată ulterior cu sprijin icircn partea superioară constructive mai frecvent icircntacirclnită sau icircn partea inferioară Pină nu demult cămăşile uscate indiferent de execuţie se presau icircn bloc şi după aceea se prelucrau final (execuţia este şi astăzi obligatorie pentru cazul icircn care blocul este din aliaje uşoare)
a) presata b) libera cu sprijin la partea c) libera cu sprijin la superioara partea inferioara
Camasi uscate
Cămaşa umedă se utilizează atacirct la mas cacirct şi la mac Particularitatea constructive de baza a cămăşii umede este aceea că fiind icircn legătură directă cu mediul de răcire pe lacircngă faptul că trebuie să reziste la forţa gazelor trebuie să
4
realizeze şi etanşarea faţa de mediul de racier icircn părţile superioară şi inferioară Icircn funcţie de modul de fixare icircn bloc şi de felul icircn care se face etanşarea se deosebesc trei soluţii constructive
Cămașa de cilindru umeda
a) cu sprijin la partea superioară b) cu sprijin la partea inferioară c) cu sprijinul icircntr-o zonă mediană
Cămaşa cu umăr icircn partea de sus realizează prin acesta şi etanşarea faţa de mediul de răcire Icircn partea inferioară cămaşa este numai ghidată iar etanşarea se realizează cu inele O de cauciuc
Icircntrucacirct cămaşa umedă trebuie să reziste la forţă de presiune a gazelor grosimea acesteia este mai mare ca la cămaşa uscată la proiectare putacircndu-se adoptă o grosime de 005-006 din diametrul cilindrului Trecerea de la umăr la partea cilindrică se face cu o porţiune conică cu o icircnclinare de 2-5deg pe lungimea de 20-30 mm iar racordarea la umăr cu o raza de 1-2 mm Suprafaţa de aşezare a gulerului atacirct la cămaşă cacirct şi icircn locaşul din bloc trebuie să fie plană şi perpendicular pe axa cămăşii rugozitatea admisă pentru această suprafaţă fiind R=08 μm La proiectare trebuie avut icircn vedere că umărul de sprijin şi ghidare a cămăşii să dea o icircncovoiere minima a cămăşii că urmare a stracircngerii chiulasei
Cămaşa trebuie să depăşească faţa de sus a blocului cu 006-015 mm funcţie de materialul garniturii de chiulasă Pentru protejarea garniturii de chiulasă la acţiunea gazelor fierbinţi unele cămăşi se executa cu o supraicircnălţare dimensionată icircn funcţie de grosimea şi elasticitatea garniturii de chiulasă
Ca şi la cămăşile uscate camera de răcire trebuie să se icircntindă peste zona primului segment cacircnd pistonul se afla la pmi şi sub zona ultimului segment de ungere cacircnd pistonul se afla la pme
Cămăşile de cilindru se toarnă de obicei din fontă dar pentru icircmbunătăţirea schimbului de căldura se executa şi cămăşi din materiale cu conductibilitate mai mare (aliaje de aluminiu) Acestea icircnsă au dezavantajul că necesită icircn mod obligatoriu durificarea suprafeţei de lucru La mas mai mici se poate realiza cromarea
5
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
realizeze şi etanşarea faţa de mediul de racier icircn părţile superioară şi inferioară Icircn funcţie de modul de fixare icircn bloc şi de felul icircn care se face etanşarea se deosebesc trei soluţii constructive
Cămașa de cilindru umeda
a) cu sprijin la partea superioară b) cu sprijin la partea inferioară c) cu sprijinul icircntr-o zonă mediană
Cămaşa cu umăr icircn partea de sus realizează prin acesta şi etanşarea faţa de mediul de răcire Icircn partea inferioară cămaşa este numai ghidată iar etanşarea se realizează cu inele O de cauciuc
Icircntrucacirct cămaşa umedă trebuie să reziste la forţă de presiune a gazelor grosimea acesteia este mai mare ca la cămaşa uscată la proiectare putacircndu-se adoptă o grosime de 005-006 din diametrul cilindrului Trecerea de la umăr la partea cilindrică se face cu o porţiune conică cu o icircnclinare de 2-5deg pe lungimea de 20-30 mm iar racordarea la umăr cu o raza de 1-2 mm Suprafaţa de aşezare a gulerului atacirct la cămaşă cacirct şi icircn locaşul din bloc trebuie să fie plană şi perpendicular pe axa cămăşii rugozitatea admisă pentru această suprafaţă fiind R=08 μm La proiectare trebuie avut icircn vedere că umărul de sprijin şi ghidare a cămăşii să dea o icircncovoiere minima a cămăşii că urmare a stracircngerii chiulasei
Cămaşa trebuie să depăşească faţa de sus a blocului cu 006-015 mm funcţie de materialul garniturii de chiulasă Pentru protejarea garniturii de chiulasă la acţiunea gazelor fierbinţi unele cămăşi se executa cu o supraicircnălţare dimensionată icircn funcţie de grosimea şi elasticitatea garniturii de chiulasă
Ca şi la cămăşile uscate camera de răcire trebuie să se icircntindă peste zona primului segment cacircnd pistonul se afla la pmi şi sub zona ultimului segment de ungere cacircnd pistonul se afla la pme
Cămăşile de cilindru se toarnă de obicei din fontă dar pentru icircmbunătăţirea schimbului de căldura se executa şi cămăşi din materiale cu conductibilitate mai mare (aliaje de aluminiu) Acestea icircnsă au dezavantajul că necesită icircn mod obligatoriu durificarea suprafeţei de lucru La mas mai mici se poate realiza cromarea
5
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
interioară Soluţia cu cea mai mare aplicabilitate pe scara industrial constă icircn realizarea unei cămăşi din fontă sau oţel avacircnd o manta exterioară cu aripioare din aliaje uşoare
Icircn principiu indiferent de procedeul de realizare al cămășii se recomandă anumite restricții constructive
peretele camasii trebuie sa aiba grosimea de (006-007) D data fiind deformarea mai mare a acestei camasi fata de cea a motoarelor racite cu apa
este necesar sa se asigure aripioare pina deasupra primului segment cand pistonul se afla la pmi si pina sub ultimul segment de ungere cand pistonul se afla la pme
la partea de fixare in bloc diametrul trebuie sa fie pe cat posibil egal cu al camasii realizindu-se un ajustaj H7f7 In aceasta zona camasa se prevede cu un guler de latime (005-006) D iar sub guler un diametru cu 05-1 mm mai mic
la partea de asamblare cu chiulasa grosimea camasii trebuie sa ramina cel putin (003-004) D iar inaltimea partii de centrare sa fie de 10-15 mm Pentru o usoara demontare a chiulasei ajustajului umarului se prevede H8e9 sau se executa putin conicIn orice caz trebuie sa se asigure o latime de etansare de (004-006) D
Se alege varianta constructivă de cilindru umed cu umăr de sprijin la partea superioară şi cu inel de cauciuc de etanşare la partea superioară Trecerea de la umărul de sprijin la partea cilindrică se realizează cu o porţiune conică
Lungimea cămăşii se determină ţinacircnd seama de condiţia de montare a pistonului Pistonul să nu depăşească marginea inferioară cu mai mult de 15 mm Se alege fonta aliata Cu cromavacircnd duritatea 70 HB rezistenta la icircncovoiere maxima
46 105 daNm2
73 Calculul de rezistenta pentru solutia adoptata
Icircn timpul funcţionării pereţii cilindrului sunt solicitaţi de forţa de presiune a gazelor forţa normală de sprijin a pistonului şi dilatării Dimensionarea peretelui cilindrului se poate realiza şi din relaţia tensiunilor icircn plan longitudinal
δ=05lowastDlowastpg
σ1
=05lowast80lowast655
=45 mm
= 5 mm
1= 38hellip59 Nm2
Cămaşa umedă a cilindrului se verifică ca tensiunile sumare să nu depăşească valorile admisibile
6
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Tensiunea de icircntindere icircn secţiunea transversală
σ i=025lowastpglowastDmed
=2817 N mm2
Dmed=D+Di
2=845 mm
Di=D+2lowastδ=80+2lowast45=89
Di ndash diametrul interior
Tensiunea de icircncovoiere
σ i=N maxlowasthmax
w=1932lowast65426
24028=526 N mm2
W =
π32
lowastDi4lowastD4
Di
=
31432
lowast894minus79484
894 =24028 mm3
Tensiunea totală are următoarea expresie
σ=σ t +σ i=2817+526=3343 N mm2
hmax= 78426 - distanţa din pmi pacircnă la axa bolţuluiS = 815 mm ndash cursa pistonului
La proiectarea cilindrilor care se sprijină pe un guler la partea superioară icircnălţimea H a gulerului cămăşii se consideră desfăşurată
Pe unitatea de lungime acţionează forţa
F s=13lowastπlowastpg max
4=13lowast314lowast8452lowast6
4=4374192 N mm2
Ds - diametrul zonei de centrare Ds=Di+3=92 mm
De -diametrul exterior pe partea inferioară De=Ds-1=91 mm
Dg ndash diametrul gulerului Dg=Ds+5=97 mm
Dm ndash diametrul mediu de etanşare Dm=D g+D
2=91+80
2=885 mm
7
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Momentul icircncovoietor care acţionează icircn gulerul cămăşii
M i=F slowasty
πlowastDm
=4374192lowast3314lowast885
=47198 Nlowastmm
y=
Dg+D
2minusDm
2=
97+79462
minus885
2=3 mm
Icircnălţimea gulerului cilindrului
H=radic 6lowastM i
15lowastσai
=radic 6lowast4719815lowast80
=5 mm
σ ai=80 MPa
Distanţa dintre axele cilindrilor Ld=131D=13180=105 mm
Lungimea cămăşii Se adoptă l=143 [mm]
8
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Cap8 Construcția si calculul pistonului
81 Rol componență condiții funcționale
Grupul piston este alcătuit din trei organe pistonul bolţul şi segmentul
Acesta asigură evoluţia fluidului motor icircn cilindru şi icircndeplineşte următoarele funcţiuni
transmite bielei forţa de presiune a gazelor transmite cilindrului reacţiunea normală produsă de bielă (ghidează piciorul
bielei icircn cilindru) eţanşază cilindrul icircn ambele sensuri icircmpiedică scăpărea gazelor icircn exterior şi pătrunderea uleiului icircn interior
evacuează o parte din căldura dezvoltată prin arderea combustibilului
Primele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu bolţul care este un organ de articulaţie următoarele două funcţii sunt preluate de piston icircmpreună cu segmenţii
Pistonul mai icircndeplineşte un număr de funcţiuni suplimentare şi anume
conţine parţial sau integral camera de ardere creează o mişcare dirijată a gazelor icircn cilindru este un organ de pompare la motoarele icircn patru timpi este un organ de distribuţie şi icircn unele cazuri de pompă pentru baleiaj la
motoarele icircn doi timpi
Pistonul se compune din următoarele părţi
capul partea superioară a pistonului care preia presiunea gazelor regiunea port-segmenţi pentru simplificare RPS-ul partea pistonului
prevăzută cu canale icircn care se introduc segmenţii mantaua partea care ghidează pistonul icircn cilindru şi transmite forţa normală umerii mantalei partea icircn care se fixează bolţul de aici şi numele de
locaşurile bolţului
9
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Elementele dimensionale
ale mecanismului motor
piston cu capul plat piston cu capul concav piston cu capul profilat
Pistoane ale motoarelor cu aprindere prin scacircnteie
La motoarele cu aprindere prin scacircnteie se utilizează icircn mod frecvent pistonul cu capul plat datorită simplităţii constructive şi suprafeţei minime de schimb de căldură Forma concava a capului pistonului apropie camera de ardere de o semisferă Pe de altă parte forma bombată asigură o rezistenţă ridicată la solicitările mecanice dar determină o majorare a suprafeţei de schimb de căldură La motoarele convertibile mas- mac camera de ardere poate fi realizată parţial icircn capul pistonului
Pistoanele motoarelor cu aprindere prin comprimare cu injecţie directă au icircn cap o degajare al cărui volum reprezintă 2030 din cel al camerei de ardere La
10
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
motoarele cu injecţie directă capul este prevăzut cu o degajare ce poate avea diferite forme icircn funcţie de particularităţile procedeului de formare a amestecului
La motoarele cu aprindere prin comprimare puternic solicitate termic icircn capul pistonului se prevede o inserţie de fontă cenuşie sau austenitică cu coeficient de dilatare apropiat de cel al aluminiului
Armarea marginii superioare a camerei de ardere icircnlătură neajunsurile pentru o durată limitată de funcţionare După parcursuri de 300000hellip400000 [km] se constată apariţia de fisuri icircn inserţie şi desprinderea de bucăţi din aceasta Materialul austenitic are o dilatare mai redusă ca a aliajului de aluminiu dar se icircncălzeşte mult mai puternic Datorită deformaţiilor remanente după o funcţionare icircndelungată apare un volum gol icircntre inserţie şi fundul pistonului
Alte dezavantaje cauzate de folosirea inserţiei sunt determinate de dificultatea amplasării unui canal de răcire icircntr-o poziţie eficientă precum şi de creşterea costurilor de fabricaţie şi a greutăţii pistonului
Proiectarea pistonului cuprinde următoarele etape
desenul pistonului determinarea dimensiunilor prealabile ale pistonului calculul fundului pistonului calculul regiunii port-segment calculul umerilor pistonului calculul stracircngerii calculul profilului pistonului
82 Alegerea materialului
Materialul utilizat la fabricaţia pistonului trebuie să icircndeplinească mai multe cerinţe unele se referă la funcţionarea normală altele la durabilitate iar al treilea grup la fabricaţie
Pistoanele pentru motoarele de autovehicule se execută din aliaje de aluminiu sau fier cu proprietăţi opuse Pe baza proprietăţilor se poate realiza un piston din aliaj de Al cu pereţi groşi care evacuează mai uşor căldura şi reduce temperatura maximă a capului şi a primului canal de segment
Cerinţe funcţionale şi de durabilitate
rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi icircnalte şi sarcini variabile densitate redusă conductibilitate ridicată dilatare liniară redusă calităţi superioare antifricţiune la temperaturi mari şi icircn condiţii grele de
ungere rezistenţă icircnaltă la uzură abrazivă adezivă corozivă de oboseală
11
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
durata mare de servici 130 200 000 km parcurşi pentru motoare de turism 300350 000 km parcurşi pentru autovehicule industriale 400 500000 km parcurşi pentru motoare diesel de autocamioane şi autobuze
Cerinţele fabricaţiei
preţ redus uşurinţă la turnare sau matriţare uşurinţă la prelucrare prin aşchiere
Icircn construcţia de pistoane se utilizează două grupe principale de aliaje de aluminiu aliajele pe bază de siliciu numite silumin şi aliajele pe bază de cupru numite dur aluminiu Aliajul silumin este de trei feluri hipoeutectic (cu Si mai puţin de 117) eutectic (cu Si icircntre 117 135) hipereutectic (cu Si icircntre 135 25) Creşterea conţinutului de Si pacircnă la 12 icircmbunătăţeşte caracteristicile mecanice şi proprietăţile anticorozive ale aliajului siliciul antrenează o reducere sensibilă a coeficientului de dilatare a aliajului Aliajele hipereutectice au un coeficient de dilatare foarte redus calităţi icircnalte de antifricţiune duritate ridicată la temperaturi mari densitate mai mică şi măreşte refractaritatea materialului Se utilizează pentru pistoane rigide cu o icircncărcare termică mare icircn ultimii aniicircndeosebi la motoarele supraalimentate
Aliajele hipereutectice mai conţin cantităţi reduse de Cu (1) Ni (1) magneziu care sporesc rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la coroziune şi refractaritatea aliajului Conţinutul ridicat de Si antrenează o uzare mai rapidă a sculei aşchietoare (se formează silicură de aluminiu foarte dură) şi reducerea coeficientului de conductibilitate (fluxul de căldură este laminat de cristalele de Si) ceea ce impune confecţionarea pistonului cu pereţi groşi soluţie convenabilă pentru MAC Aceste dezavantaje se elimină dacă se micşorează conţinutul de Si de aceea aliaj ele eutectice au căpătat o răspicircndire mai mare pentru MAS
Rezistenţa la rupere a aliajelor silumin este icircn general 2030 daNmm2 Aliajele de aluminiu pe bază de cupru (de exemplu aliajul Y) au un conţinut de Cu de 812 Cuprul este principalul element de durificare a aliajului şi măreşte totodată conductibilitatea lui Aliajul Y pentru pistoane mai conţine magneziu (~2) care măreşte rezistenţa la rupere duritatea rezistenţa la temperaturi mari şi protejează materialul faţă de atacul agenţilor corozivi nichel (15 23) care ridică rezistenţa mecanică la temperaturi icircnalte S-au elaborat aliaje Al-Cu-Mg sau Al-Zri-Cu-Mg pentrupistoane cu o rezistenţă la rupere 50 60 daNmm 2 Duraluminiul mai conţine o serie de elemente secundare de aliere Ţi Cr Mo etc care icircmbunătăţesc proprietăţile mecanice său de turnare Pistoanele din aliajele de aluminiu se supun tratamentelor termice (călire icircmbătricircnire sau ambele) care Ie ridică duritatea rezistenţa mecanică
Grupa Aliaje eutectice Aliaje Aliaje y12
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
hipereutecticeMărci echivalente
ATC Si12CuMgNiKS 1275MAHLE 124NURAL 3210
ATCSi18CuMgNiKs2811MAHLE 138NURAL 1761
KS 282MAHLE 244
ATCCu4Ni2Mg2KsKMAHLE y
Elaliere de bază []
110hellip135Si
16hellip19Si 23hellip26Cu 35hellip45Cu
Alte elemente de aliere []
018hellip15Cu08hellip13Ni08hellip13Mg02Mn07Fe02Ti022 altele
17hellip23Ni12hellip18Mg02Mn07Fe01hellip02Ti022 altele
Dilatarea termică [1k]
205hellip215 185hellip195 17hellip18 23hellip24
E [daNmm2] 7500 8000 8600 7600[HB] la 293degK423degK523degK
90hellip12070hellip9030hellip40
90hellip12570hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
90hellip12575hellip9035hellip45
Starea TC M TC M TC TC MRezistenţa de rupere la tracţiune [daNcm2] la 293degK423degK523degK
20hellip2518hellip2310hellip15
30hellip3717hellip3011hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip3020hellip2411hellip17
18hellip2217hellip2010hellip14
23hellip2822hellip2616hellip20
35hellip4230hellip3715hellip26
Alungirea relativă A5
min []0303
13 0207
0515
0103
0310
512
Rezistenţa de rupere la oboseală[daNmm2] la 293degK573degK
8hellip125
11hellip1495
8hellip115
9hellip129
7hellip102
8hellip1245
1210
13
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Cap 9 Constructia si calculul boltului
91 Rolconditii functionale constructie
Bolțul sau axul pistonului este organul care stabileşte legătura dintre piston şi bielă (organul de articulaţie) şi transmite forţa de presiune de la piston la biela Bolţul este de forma unui cilindru cavPentru ca biela să poată oscila faţă de axa cilindrului bolţul se montează cu joc fie icircn piston fie icircn bielă fie simultan icircn ambele organe
Cacircnd bolţul e fix icircn bielă el execută o mişcare alternativă de rotaţie Cicircnd bolţul se prevede cu joc aticirct icircn piston cicirct şi icircn bielă (bolţ flotant) el este antrenat icircn mişcarea alternativă de rotaţie de forţe de frecare variabile iar după un număr de cicluri motoare execută o rotaţie completă
Bolțul dezvoltă forţe de inerţie care icircncarca organele mecanismului motor De aici rezultă o cerinţă principală masa bolţului să fie cacirct mai redusă Bolţul lucrează icircn condiţii bdquogrelerdquo de solicitare mecanică fiind icircncărcat de forţa de presiune a gazelor şi de forţa de inerţie dezvoltată de piston icircntr-o secţiune transversală apar solicitări de icircncovoiere care produc deformarea bolţului după axa lui longitudinală Solicitări de icircncovoiere apar şi icircn secţiunea longitudinală ele deformează bolţul icircn planul transversal (deformarea de ovalizare) Primele solicitări produc ruperea bolţului icircn plan transversal solicitarea de ovalizare produce ruperea bolţului icircn plan longitudinal In perioada arderii violente forţele de presiune icircnregistrează creşteri rapide care produc solicitarea prin şoc Caracterul variabil al sarcinii produce fenomenul de oboseală al bolţului Rezultă că bolţul trebuie să posede o rezistenţă icircnaltă la solicitările de icircncovoiere variabile şi cu şocIn timpul funcţionării bolţul este supus uzării Intrucat mişcarea de rotaţie a bolţului are un caracter alternativ cu viteze periferice reduse circa 1 ms nu se poate realiza ungerea icircn regim hidrodinamic Pe de altă parte alimentarea cu ulei so face cu dificultate şi are icircn general un caracter discontinuu ca urmare se instalează un regim semifluid de ungere
14
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Regimul termic al bolţului are un rol hotăricirctor asupra ungerii Nivelul regimului termic al bolţului se limitează pe mai multe căi şi anume prin reducerea presiunii specifice dintre bolţ şi suprafeţele de reazem prin reducerea valorilor rugozităţii suprafeţelor prin intensificarea alimentării cu uleia icircmbinării prin icircmbunătăţirea calităţii lubrifiantului si prin mărirea rigidităţii bolţului
Forma bolţului este impusă de considerente de masă rigiditate şi fabricaţie Forma tubulară asigură o masă redusă Bolţul cu secţiune constantă este o soluţie tehnologică simpla La motoarele cu turaţie ridicată din cauza forţei de inerţie se reduce la minimum grosimea pereţilor (25 mm) şi se obţine un bolţ cu pereţi subţiri la care ruperile longitudinale de ovalizare sicircnt cele mai frecvente La MAC se utilizează bolţuri cu pereţi groşi (813 mm) care se rup mai frecvent icircn plan transversal Pentru a se mări rigiditatea bolţului acesta se confecţionează sub forma unui solid de egala rezistenţă dar soluţia creează dificultăţi tehnologice icircntrucicirct deformaţia maximă de icircncovoiere apare icircn secţiunea centrală iar cea de ovalizare se produce icircntr-o zonă centrală reprezenticircnd circa 20 din lungimea bolţului o rigiditate suplimentară se obţine prin prelucrare cilindrică (preţ mai mic) icircn trepte (masă intermediară) a suprafeţei interioare ceea ce este avantajos şi pentru forfecare
92 Alegerea tipului de asamblare bolţ ndash bielă ndash pistonImbinarea cu joc se realizează prin trei metode distincte de montaj
bolţ fix icircn piston şi liber icircn piciorul bielei bolţ fix icircn piciorul bielei şi liber icircn piston bolţ flotant
Montajul prin prima metodă deşi elimină ungerea bolţului icircn locaşurile din piston fiind realizat prin şuruburi care străpung bolţul şi locaşul produce o concentrare mare de tensiuni la marginile găurii măreşte masa icircmbinării şi rebuturile de aceea soluţia nu se utilizează pe motoarele de autovehicule Soluţia a doua se realizează fie prin secţionarea parţială a piciorului bielei şi apoi prin stricircngerea icircmbinării cu un şurub fie prin montaj cu stricircngere (se icircncălzeşte piciorul bielei la 240280degC) Soluţia s-a răspicircndit icircn prezent prin avantajele pe care le areLa acelaşi joc icircn piciorul bielei dezaxarea bielei se reduce la jumătate faţă de montajul bolţului flotant care cumulează dezaxările bolţului icircn toate locaşurile lui icircn fine se reduce intensitatea zgomotului icircn funcţionare Montajul flotant al bolţului reprezintă deasemenea o soluţie răspicircndită Avantajul principal al soluţiei icircl constituie reducerea uzurii bolţului icircn locaşurile din piston şi repartizarea ei uniformă pe periferia bolţului deoarece micşorează vitezele relative dintre suprafeţe şi determină o rotire completă a bolţului după un număr de cicluri care mediază uzura pe periferie
Aleg soluţia constructivă de bolţ flotant icircn piciorul bielei şi icircn bosaje pentru a avea o uzură a bolţului pe toată suprafaţa acestuia Rotindu-se bolţul este solicitat icircn ciclu alternant simetricExperimental s-au determinat intervalele de valori pentru dimensiunile constructive ale bolţuluiCacircnd bolţul este flotant icircn ambele icircmbinări se
15
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
prevăd inele de siguranţă din sacircrmă care asigură bolţul contra deplasărilor axiale
93 Alegerea materialului si a dimensiunilor caracteristiceBolţul se confecţionează din bare laminate Materialul pentru bolţ trebuie să
fie tenace pentru a rezista la solicitarea prin şoc Un material tenace are icircnsă o deformare mare ceea ce nu corespunde cerinţei de rigiditate şi o rezistenţă mică la rupere ceea ce nu corespunde solicitărilor de icircncovoiere şi oboseală Se obţin soluţii de compromis dacă se asigură o duritate ridicată (55 65 HRC) stratului superficial pentru ca materialul să reziste la uzură şi oboseală şi o tenacitate ridicată miezului (35 44 HRC)
Materialele care satisfac cel mai bine aceste condiţii sunt otelurile carbon de calitate (STAS 880 -66) şi oţelurile aliate (STAS 791-66) (elemente de aliere Cr Ni Mn Mo) cu conţinut redus de carbon(012035) Prin tratament termo-chimic de cementare se aduce duritatea suprafeţei la nivelul dorit Tratamentul de cementare este o operaţie scumpă şi se icircnlocuieşte cu eălirea superficială prin CIF pe o adicircncime de 10 15 mm Pentru bolţurile cu solicitare intermediară se utilizează oţel (mărcile OLC15 OLC 20 OLC 45 OLC 60 15C0815Cx3) care prin cementare (adancimea stratulrii de 05 15 mm) atinge duritatea de 58 62 HRC Cicircnd se utilizează oteluri aliate (mărcile 18MC1016 MnCr5 15CN1515CrNi6 21MoMC12) după cementare duritatea stratului superficial ajunge la 58mdash 64 HRC cu rezistenţa la rupere de 100 120 daNcm 2
Experienţa arată că prin cementarea bolţului pe ambele suprafeţe rezistenţa la oboseală creşte cu 1520 iar prin nitrurare pe ambele suprafeţe cu 3545 Soluţiile sunt posibile numai cicircnd grosimea miezului tenace nu scade sub valoarea admisibilă care se stabileşte astfel icircncicirct secţiunea transversală a miezului să fie 70 75 din secţiunea totalăPe baza datelor statistice se adoptă dimensiunile boltului care va fi de tipul flotant Se confecţionează din otel aliat de cementare suprafaţa boltului se cementează pe
16
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
icircntreaga lungime si pe o adacircncime de 0515 mm stratul superficial va avea o duritate de 5565 HCR iar miezul 35 45 HCRDimensiuni caracteristice
diametru exterior de=027D=027 x 80= 216
se adoptă de= 22 mm
diametrul interior di=065de= 065x 22 = 143
se adoptă di= 14 mm
lungimea boltului l= 085D=085 x 80 =68se adoptă l= 68 mm
lungimea de contact cu piciorul bielei lb=029D= 029 x 80 = 232
se adoptă lb= 235 mm
Cap 10 Constructia si calculul arborelui cotit101 Rolconditii functionale constructiveArborele cotit transformă mişcarea de translaţie a pistonului icircntr-o mişcare de rotaţie şi transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forţa de presiune a gazelor La motoarele policilindrice arborele cotit icircnsumează lucrul mecanic produs de fiecare cilindru şi-l transmite utilizatorului Arborele cotit antrenează icircn mişcare unele sisteme auxiliare ale motorului
Arborele cotit este alcătuit dintr-un număr de coturi egal cu numărul cilindrilor la motoarele cu cilindrii icircn linie precum şi din două sau mai multe fusuri de reazem 1 numite fusuri paliere Fiecare cot este alcătuit din doua braţe 2 şi un fus 3 numit fus maneton sau mai simplu maneton care se articulează cu capătul bielei Icircn unele cazuri la extremităţile braţelor se prevăd masele 4 pentru echilibrare Partea arborelui cotit prin care se transmite mişcarea la utilizare se numeşte partea posterioară icircn opoziţie cu ea cealaltă extremitate se numeşte parte frontală La partea posterioară se prelucrează o flanşă 5 de care se prinde volantul 10 cu coroana dinţata 11 la partea frontala se fixează prin pană o roată dinţata 6 care acţionează mecanismul de distribuţie şi alte organe auxiliare o fulie 7 pentru antrenarea
17
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
ventilatorului şi a generatorului de curent fixată pe amortizorul de vibraţie 8 şi un clichet 9 pentru pornirea manualăIcircn procesul de lucru arborele cotit preia solicitările variabile datorită forţei de presiune a gazelor forţelor de inerţie a maselor cu mişcare de translaţie şi a maselor cu mişcare de rotaţie solicitări care au un caracter de şoc Aceste forţe provoacă apariţia unor eforturi unitare importante de icircntindere compresiune icircncovoiere şi torsiune Icircn afară de acestea icircn arborele cotit apar tensiuni suplimentare cauzate de oscilaţiile de torsiune şi de icircncovoiere Ansamblul solicitărilor provoacă deformarea arborelui determinacircnd uzarea prematură a cuzineţilor sau icircn cazuri mai grave chiar ruperea arborelui Din aceste condiţii grele rezultă şi unele cerinţe impuse faţă de construcţia arborelui cotit rezistenţă mecanică ridicată mai ales o mare rigiditate a construcţiei de care depinde icircn cea mai mare măsură durabilitatea pieselor mecanismului motor rezistenţă ridicată la uzură a suprafeţei fusurilor icircnalta precizie de fabricaţie a fusurilor ca dimensiuni şi ca formă echilibrare statică şi dinamică lipsa rezonanţei atacirct la vibraţii torsionale cacirct şi la cele de icircncovoiere
Arborele cotit este de două feluri demontabil şi nedemontabil ultima soluţie se utilizează pe scară largă Pentru a reduce greutatea arborelui şi forţele centrifuge fusurile se găuresc Soluţia este convenabilă şi din punctul de vedere al rezistenţei la oboseală deoarece asigură o distribuţie mai favorabilă a fluxului de forţe
Pentru a uşura mai mult fusul maneton gaura exterioară se execută excentric ceea ce exercită o influenţă pozitivă şi asupra atenuării efectului de concentrare Se obţine o rigiditate şi o rezistenţă la oboseală sporite dacă secţiunile fusurilor maneton şi palier se suprapun Suprapunerea la motoarele de autovehicule este de 15 25 mm şi se realizează cu uşurinţă la motoarele subpătrate Braţele arborelui cotit se confecţionau mai demult icircn formă paralelipipedică
102 Alegerea materialului si a dimensiunilor principaleMaterialul pentru arborele cotit depinde de procedeul de fabricaţie şi de
dimensiunile arborelui Arborele cotit se confecţionează prin două procedee prin forjare şi prin turnare
Forjarea se efectuează liber sau icircn matriţă cacircnd lungimea arborelui cotit nu depăşeşte 2 m Arborii cotiţi forjaţi se confecţionează din oţel cei turnaţi se confecţionează din fontă sau oţel
Oţelurile folosite pentru realizarea arborilor cotiţi pentru motoarele cu aprindere prin scacircnteie sunt oteluri nealiate şi anume oţelul de calitate cu conţinut mediu de carbon (OLC 45x OLC 60x STAS 880-66) cu rezistenţa la rupere de 70hellip80 daNmm2
In ultimii ani s-au pus la punct procedee de confecţionare a arborilor cotiţi prin turnare Avantajele arborilor turnaţi sicircnt următoarele
18
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
reducerea consumului de metal icircntrucicirct turnarea se face cu precizie şi se pot micşora adaosurile de prelucrare (se reduce cantitatea de aşchii de 25 3 ori şi se micşorează numărul de operaţii cu 2025) realizarea cu uşurinţă a formei tubulare ceea ce reduce masa eu 10 20 realizarea cu uşurinţă a formelor optime cerute de echilibrare (forma maselor de echilibrare) şi de solicitarea la oboseală Prin turnare se obţine cu uşurinţă forma de butoi a golurilor interioare forma de buzunar a braţelor prin degajarea de material icircngroşarea a pereţilor icircn dreptul braţelor icircngroşarea laterală care obligă fluxul de forţe să ocolească partea centrală a braţului
Confecţionarea arborelui cotit turnat din fontă s-a dovedit foarte avantajoasă Fonta posedă proprietăţi mai bune de turnare decacirct oţelul ceea ce simplifică fabricaţia şi are un preţ de cost mai redus Fonta este un material cu calităţi antifricţiune superioare datorită incluziunilor de grafit de aceea uzura fusurilor este inferioară
Se utilizează mai multe varietăţi de fonta pentru arborii cotiţi fonta modificata fonta maleabila perlitică şi fonta aliata cu Cr Ni Mo Cu Ultima varietate este scumpă prima varietate este cea mai răspacircndită
Pentru realizarea arborelui cotit se foloseşte fonta modificată cu grafit nodular (C = 37 Şi = 23 Mn = 03 Mg = 005 S = 008 P = 0025 ) după un tratament de călire şi revenire a căpătat o rezistenţă la rupere de 120 daNmm2 limita de elasticitate 82 daNmm2 şi E = 17500 daNmm2 apropiat de al oţelului (21000 daNmm2) Fonta nodulară are duritatea 212hellip270 HB dar permite prin tratament termic realizarea unei durităţi de 500 HB
Dimen-siunea
Motor in linie
mas macl (105125)D (115135)D
dp (0608)D (07085)D
lp (0506)dp (04506)dp
19
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
dM (05068)D (055072)D
lM (045062)dM (05065)dM
dMi (0608) dM (06075) dM
b (1517) dM (152) dM
g (015035) dM (02035) dM
ρ (006009) dM (007001) dM
Se adoptă următoarele dimensiuni caracteristice pentru arborele cotit
Lungimea cotului l= 109D1=109 832 90688
Se adoptă l= 91 mmDiametrul fusului palier dp = 07D = 07 x 80 = 56Se adoptă dp= 56 mm
Lungimea fusului palier lp=05dp=05 x 56 = 28
Se adoptă lp= 28 mm
Diametrul fusului maneton dm= 059D=059 x 80 = 472
Se adoptă dm= 48 mm
Lungimea fusului maneton lm=047dm=047 x 48 = 2256
Se adoptă lm= 23 mm
Diametrul interior dmi=06dm=06 x 48 = 288
20
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Se adoptă dmi= 29 mm
Grosimea braţului h=045dm=045 x 48 =
Se adoptă h= 216 mmLăţimea braţului b= 15dm=15 x 48 =72Se adoptă b= 72 mmRaza de racordare p= 008dm=008 x 48 =384
Se adoptă ca rază de racordare p = 39 mmRaza manivelei r = 31815 mm
H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H1=dP2+(3 8) = 56 2 + 5 = 7 mm H = H1 + H2 + r = 7 + 7 + 31815 =45815 mm
Cap 11 Tehnologii de obtinere si prelucrare a cuzinetilor111 Tipuri de lagareLagărele sunt organe de maşini avacircnd funcţia de susţinere şi ghidare a arborilor şi a osiilor cu mişcare rotativă sub acţiunea sarcinilor care acţionează supra lorDupă direcţia sarcinii principale faţă de axa de rotaţie lagărele se grupează icircnlagăre radiale cu direcţia sarcinii principale perpendiculară pe axa de rotaţielagăre axiale şi crapodine avacircnd direcţia sarcinii principale paralela cu axa de rotaţielagăre radial-axiale a căror sarcină are componente după cele două direcţii menţionate
După caracterul frecării produse icircn funcţionare lagărele se grupează icircnlagăre cu alunecare - icircntre suprafaţa exterioară a fusului şi suprafaţa interioară a lagăruluilagăre cu rostogolire - icircntre elementele rulmenţilorlagăre combinate
21
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
La lagărele cu alunecare fusul se sprijină pe o suprafaţă cilindrică interioară fie direct fie prin intermediul unui lubrifiant
Corpul lagărului are suprafaţa cilindrică icircn interior şi poate fi executat dintr-o bucată ca o bucşă sau două bucăţi avand un plan de separaţie diametral pentru a se putea monta pe fusurile intermediare In mod obişnuit partea interioară a corpului reprezintă o căptuşeală cuzinet fixată de corpul lagărului printr-un anumit sistem sau direct prin turnare in nişte canale de formă specială (coadă de ricircndunică) Ultima soluţie este mai avantajoasă deoarece materialul cuzineţilor trebuie să aibă proprietăţi superioare de antifricţiune şi tehnologice de prelucrare mecanică sudare turnare etc fiind mai scump decicirct restul materialului corpului
Lagărul cu rostogolire se obţine prin icircnlocuirea cuzinetului din lagărul cu alunecare printr-un rulment De aceea aceste lagăre se numesc şi lagăre cu rulmenţi Celelalte elemente componente ale lagărelor cu rostogolire diferă foarte puţin de elementele lagărelor cu alunecare Ca urmare studiul lagărelor cu rostogolire se reduce la studiul rulmenţilor
Datorită icircnlocuirii frecării de alunecare prin frecare de rostogolire randa-mentul lagărelor cu rulmenţi este superior = 0980995
Rulmenţii sunt alcătuiţi din mai multe părţi inelul interior şi cel exterior care formează calea de rularecorpurile de rostogolire sub formă de bile sau role colivia pentru păstrarea distanţei icircntre corpurile de rostogolire diferite elemente pentru asamblare şi etanşare
In figura este reprezentat un lagăr cu rulment cu bile pe care se pot urmări principalele elemente componente şi dimensiunile de bază ale rulmentului care sunt d diametrul nominal corespunzător diametrului nominal al fusului D diametrul exterior al inelului exterior corespunzător diametrului interior al corpului lagărului B lăţimea rulmentului
22
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Lagărele cu rulmenţi prezintă următoarele avantaje principale faţă de lagărele cu alunecare pierderi mai mici de putere prin frecare datorită randamentului ridicat turaţii mari (20 000mdash 30 000 rotmin) consum redus de lubrifiant icircn perioada de icircntreţinere eficienţă economică superioară datorită avantajelor standardizării şi posibilităţii centralizării execuţiei lor prin icircntreprinderi specializate cu procese de producţie automatizate
Lagărele cu rulmenţi au dimensiunea radială mai mare decicirct lagărele cu alunecare necesită o precizie mare de execuţie şi montaj sicircnt mai rigide şi mai puţin rezistente la şocuri112 Caracteristici impuse cuzinetilor
Cuzinetii se executa dintr-un material antifrictiune deoarece la porniri-opriri si la suprasarcini regimul de frecare poate fi uscat limita sau mixt icircn plus este usurata reparatia lagarului dupa uzare prin icircnlocuirea cuzinetului al carui cost este mai redus decacirct al arborelui
Aliajele antifricţiune pentru cuzineţii lagărului sau capului de bielă trebuie să satisfacă mai multe condiţii dintre care unele sicircnt contradictorii Condiţiile principale sunt rezistenţă mecanică suficientă la oboseală compresiune şoc temperaturi relativ icircnalte de funcţionare un coeficient de frecare redus capacitate antigripantă un grad ridicat de conformabilitate rezistenţă ridicată la coroziune capacitate icircnaltă de icircncorporare a particulelor dure abrazive (incrustabilitate) aderenţă bună la corpul cuzinetului conductibilitate termică ridicată prelucrabilitate bună prin aşchiere cost redus
Pentru lagarele monobloc cuzinetii au forma unor bucse iar pentru lagarele demontabile icircn plan diametral (cu capac) se executa din doua jumatati (semicuzineti)Icircn productia de serie mica si individuala se folosesc cuzineti executati integral din materiale antifrictiune cu rezistenta medie si mare
23
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
De regula cuzinetii se executa bimetalici stratul subtire de material antifrictiune se depunde prin turnare pe o baza (suport) de otel sau fonta iar la lagarele puternic solicitate pe o baza de bronzIcircn productia de serie mare sau de masa cuzinetii se stanteaza dintr-o platbanda pe care este placat materialul antifrictiune
Cuzinetii se monteaza icircn corpul lgarului cu stracircngere si se asigura icircmpotriva rotirii prin stift sau pinten de fixareMaterialele pentru cuzineti trebuie sa prezinte o serie de proprietati mecano-tribologice termicetehnologice economice
Proprietati mecano-tribologice coeficient de frecare cu materialul fusului cacirct mai mic rezistenta la uzare rezistenta la oboseala de contact conformabilitate ndash proprietatea de a icircngloba particule dure rezistenta la gripare si coroziune aderenta cu lubrifiantul
Proprietati termice conductibilitate termica mare pentru evacuarea caldurii produse prin frecare coeficient de dilatatie termica apropiat de cel al otelului pentru a evita variatii mari ale jocului din lagar
Propietati tehnologice si economice costuri de executie si asamblare mici deoarece materialele antifrictiune metalice sunt scumpe si deficitare se impune aplicarea acestora icircn straturi cacirct mai subtiri cu o buna aderenta la materialul de baza
Materialele antifrictiune pentru cuzineti pot fi aliaje feroase aliaje neferoase materiale sinterizatemateriale nemetalice
Pentru a icircndeplini condiţiile funcţionale structura aliajelor antifricţiune trebuie să cuprindă două faze o fază moale şi plastică care icircndeplineşte funcţia antigripantă şi o fază dură care suportă apăsarea transmisă de fus Metalele care alcătuiesc faza moale sicircnt metalele albe moi cu punct de topire redus ca staniul (temperatură de topire 232degC) şi plumbul (temperatura de topire 327degC) Faza dură este formată din compuşi definiţi ai Sn Pb Cu Al
Proprietatea Aliajul de antifricţiune pe bază de Staniu
Plumb
Cadmiu
Bronz cu plumb
Bronz cu plumb gt
Alumi-niu
Argint
Argint
Rezistenţa la oboseală 8 13 32 47 47 82 100 100Conformabilitate 82 57 82 12 100 52 3 100Incrustabilitate 100 72 60 38 50 19 8 12Rezistenţa la gripare 100 94 56 40 75 82 28 75Rezistenţa la coroziune 100 75 38 25 82 100 100 100Duritatea fusului arborelui 100 100 85 39 100 39 4 12Aderenţa la carcasa de oţel
79 62 88 100 100 100 100 100
Rezistenţa la temperatură 6 10 10 16 16 38 100 100Conductibilitatea termică 16 10 22 69 69 50 100 100
24
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Comparicircnd proprietăţile diferitelor tipuri de aliaje antifricţiune se pot trage unele concluzii asupra materialelor utilizate icircn construcţia motoarelor cu ardere internă Aliajele pe bază de Sn sau Pb erau icircn trecut şi sicircnt icircncă şi astăzi la MAS şi uneori la MAC aliajele cele mai răspicircndite (duritate 2229 HB) deoarece au o prelucrabilitate uşoară conformabilitate şi incrustabilitate icircnalte rezistenţă icircnaltă la coroziune şi comportare foarte bună la gripare Ele prezintă cicircteva neajunsuri au o rezistenţă la oboseală redusă pusă icircn evidenţă mai ales la utilizarea lor la MAC cicircnd stratul de aliaj suferă crăpături şi desprinderi de carcasă au o duritate insuficientă din care cauză la presiuni specifice mari şi temperaturi ridicate ale uleiului durabilitatea este nesatisfăcătoare
In ultimul timp se extinde aliajul antifricţiune pe bază de aluminiu care are o rezistenţă icircnaltă la oboseală şi suportă presiuni specifice maxime de patru ori mai mari decicirct aliajul pe bază de Sn La icircncălzire duritatea aliajului scade neicircnsemnat Cuzinetul cu aliaj antifricţiune pe baza de aluminiu lucrează corespunzător numai dacă reazemele sicircnt bine rigidizate iar uleiul este foarte bine filtrat
Materialele feroase (fonta cenusie Fc fonta cu grafit nodular Fgn fonta maleabila Fma) se recomanda pentru cuzineti monolit icircn cazul vitezelor si presiunilor reduse se impune ca fusurile arborilor sa fie cementate si rectificate Icircn cazul solicitarilor dinamice se recomanda otelul grafitizat
Materialele neferoase cuprind icircn principal bronzuri si compozitii pentru lagare Bronzurile pentru lagare (pe baza de Cu-Sn Cu-Pb Cu-Pb-Sn Cu-Al) turnate se recomanda la cuzineti monolit si multistrat la presiuni si viteze ridicate
Compozitiile pentru lagare (aliaje Y-Pb-Sn) turnate se recomanda la presiuni si viteze ridicate iar cele pe baza de aluminiu (Al-Sn Al-Pb Al-Pb-Cu) placate se recomanda la cuzineti subtiri la viteze si presiuni ridicate si sunt rezistente la solicitari variabile alte aliaje (pe baza de Ag Zn Mg) au utilizari restracircnse
Materialele sinterizate moi (pe baza de Fe-C Fe-Cu Cu-Pb Cu-Pb-Sn) se recomanda pentru cuzineti masivi (porosi ndash autolubrifianti) si multistrat subtiri placati (neautolubrifianti)
113 Aspecte de frecare si uzare care au loc in timpul functionarii lagarelorLa cele mai multe lagăre mişcarea de rotaţie este asigurată de fusurile arborilor Frecarea se produce icircntre suprafaţa fusului şi a cuzinetului aflate icircn contact sub presiunea exercitată prin forţele de icircncărcare a arborilorPentru ca mişcarea să fie posibilă diametrul fusului este mai mic decacirct lagărului Astfel icircntre fus şi cuzinet se creează un joc radial Spaţiul dintre fus şi cuzinet (interstiţiu) se umple cu un material de ungere numit lubrifiant Astfel icircn timpul funcţionării contactul nu se mai produce direct icircntre suprafeţele metalice fus-cuzinet ci prin intermediul lubrifiantului Ca urmare coeficientul de frecare scade considerabil de circa 100 de ori Icircn cazul lagărelor obişnuite se disting următoarele trei stadii ale frecăriifrecare uscată cacircnd contactul este direct icircntre suprafeţele metalice deci absenţă totală a lubrifiantului25
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
frecare semilichidă cacircnd contactul este parţial icircntre suprafeţele metalice şi lubrifiantfrecare lichidă (fluidă) cacircnd contactul nu are loc direct icircntre straturile de lubrifiant
Funcţionarea cea mai avantajoasă are loc icircn ultimul caz Icircn aceste condiţii pot funcţiona numai lagărele speciale hidrostatice la care desprinderea fusului de cuzinet se produce cu lubrifiant sub presiune cacircnd fusul stă pe loc Pornirea are loc numai după ce s-a produs desprinderea menţionată deci icircn condiţiile frecării lichide cacircnd temperatura se menţine şi icircn regim de funcţionare
Stadiile frecăriiMajoritatea lagărelor funcţionează cu ungere fără presiune exterioară şi se numesc lagăre hidrodinamice Din momentul pornirii (n=0) pacircnă la turaţia de regim (n=n) aceste lagăre trec prin toate regimurile de frecare uscată (n=0) semilichidă (turaţie redusă) lichidă (mişcare de regim)Natura frecării lichide diferă complet de natura frecării uscate La icircnceputul mişcării fusului contactul asperităţilor se menţine parţial producacircndu-se frecarea semiuscată sau semifluidă Valoarea coeficientului de frecare icircncepe să scadă pe măsura creşterii turaţieiLubrifiantul introdus icircn partea neicircncărcată a fusului este antrenat de acesta icircn spaţiul dintre fus şi cuzinet şi prin efect de pană (icircn condiţii favorabile de ungere) poate determina desprinderea fusului de cuzinet realizacircndu-se astfel frecarea fluidăPentru producerea frecării fluide este necesar ca icircntre suprafaţa fusului şi cea a cuzinetului să se menţină permanent un strat continuu de lubrifiant numit peliculă sau film de lubrifiant Acest lucru este posibil numai dacă distanţa cea mai mică dintre fus şi cuzinet denumită joc minim (Jmin ndash poziţia a treia) - depăşeşte suma icircnălţimilor asperităţilor fusului şi cuzinetului Condiţia de realizare a frecării fluide se poate exprima deci prin relaţia
Jmin = c (Rz1+Rz2)Icircn care Rz1 şi Rz2 sunt rugozităţile maxime ale suprafeţelor fusului 1 şi cuzinetului 2 c - coeficient de siguranţă
26
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Icircn cazul frecării lichide forţa transmisă de fus asupra cuzinetului este echilibrată de suma presiunilor din filmul de lubrifiant Curba de variaţie a acestor presiuni pe perimetrul fusului cuzinetului (are forma din figura poziţia a treia)Repartiţia presiunilor din lubrifiant de-a lungul fusului şi prin aceasta buna funcţionare a lagărului depinde de raportul ld=P (l şi d fiind lungimea respectiv diametrul fusului) numit parametrul geometric Pentru o repartizare cacirct mai uniformă a presiunilor de-a lungul fusului se recomandă adoptarea parametrului geometric icircn limitele
P=ld=05hellip15Valorile mici corespund lagărelor cu turaţie ridicată şi solicitări reduce iar cele maxime corespund lagăre greu solicitate dar cu turaţii reduseReducerea pierderilor din frecare este influenţată icircn mare măsură de forma geometrică şi de locul amplasării canalelor de ungere Cacircteva forme uzuale pot fi urmărite pe figura de mai jos Zona descărcată sau a jocului maxim este cea mai potrivită amplasării canalelor de alimentare
a) lagăre radiale b) lagăre axialeCanale pentru ungere
Lubrifiantul din lagăr pe lacircngă faptul că reduce pierderile prin frecare deci prelungeşte durata de funcţionare datorită ungerii mai are şi proprietatea de protector icircmpotriva coroziunii amortizor al şocurilor transportator al căldurii din interiorul lagărului icircn mediul exterior Aceste avantaje fac absolut necesară ungerea lagărelor Pentru ungerea lagărelor cu alunecare se folosesc icircn special uleiuri minerale şi unsori consistente Pe scară mai redusă la temperaturi ridicate se icircntrebuinţează lubrifianţi solizi icircn stare pulverulentă ca talcul bisulfura de molibden etc Icircn ţara noastră se produce o gamă largă de sortimente de uleiuri minerale cu calităţi superioare Principalele criterii care stau la baza alegerii lubrifiantului necesar ungerii unui mecanism sunttipul mecanismului şi presiunea din lagăr pentru evitarea frecărilor pronunţate la presiuni mici şi turaţii mari se aleg unsori cu vacircscozitate redusă iar la presiuni mari şi turaţii mici se folosesc lubrifianţi cu vacircscozitate marepunctul de inflamabilitate temperatura de picurare temperatura de congelare care se iau icircn consideraţie icircn special pentru lubrifianţii necesari lagărelor cu regim special de funcţionare la temperaturi diferite de cea normală (200C)
114 Tehnologia metalurgica de obtinere a cuzinetiorAliajul antifricţiune trebuie să satisfacă un ansamblu de proprietăţi impuse de
condiţiile specifice de funcţionare proprietăţi mecanice ridicate (rezistenţă la
27
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
strivire la oboseală la uzură la coroziune) bune proprielaţi de alunecare (capacitate antigripantă şi coeficient de frecare scăzut) capacitate de icircnglobare a particulelor dure (incrustabilitatea) capacitatea de a se adapta la geometria suprafeţelor (conformabilitatea) conduclibilitate termică mare aderenţă bună la carcasă de oţel afinitate chimică şi metalurgică redusă faţă de materialul arborelui prelucrabiltiate bună prin aşchiere preţ de cost redus
Principalele tehnologii de obţinere a semifabricatelor sunt placarea sinterizarea şi turnarea Placarea ce se poate executa la rece sau la cald constă icircn depunerea unor aliaje antifricţiune (de obicei Al mdashSn sau Al mdashPb) pe un suport de oţel obţinindu-se cuzineţi cu pereţi subţiri pt solicitari medii Sinterizarea este o metodă modernă care permite obţinerea unei structuri uniforme a materialului antifricţiune ceea ce conferii acestuia proprietăţi mecanice optime icircn special din punctul de vedere al comportării la oboseală Turnarea este o metodă practic abandonată datorită unui consum sporit de metal imperfecţiunii metalografice şi aderenţă faţă de carcasa de oţel inferioară
Cuzinetii se reconditioneaza daca apar zgarieturi pronunţate sau impurităţi pe suprafaţa materialului anti-fricţiune urme de gripaj exfolieri de material pierderea elaslicităţii etcAtunci in toate cazurile cuzineţii se icircnlocuiesc cu alţii noi la cota nominală sau de reparaţie icircn funcţie de dimensiunile fusului maneton115 Tehnologia mecanica de prelucrare a cuzinetilor
Cap 12 Tehnologia de fabricare a segmentilor121 Tipuri de segmenti
Segmenţii se definesc ca organe de etanşare Sub acţiunea forţei elastice segmentul este aplicat tot timpul pe cilindru Sub acţiunea forţei normale pistonul basculează apropiindu-se şi depărtacircndu-se de oglinda cilindrului rezultă că segmentul se deplasează radial icircn canalul pistonului eliminacircnd astfel eventualele particule de cocs particule preluate de pelicula de ulei regăsite apoi prin filtrare icircn filtru
Principala funcţie a segmenţilor este de a etanşa cilindrul Segmenţii care icircmpiedică scăparea gazelor din cilindru spre carter se numesc segmenţi de compresie Segmenţii care icircmpiedică trecerea uleiului din carter spre camera de ardere se numesc segmenţi de ungere
Segmentul este de forma unui inel tăiat Distanţa dintre capete se numeşte rost Dimensiunea caracteristică a secţiunii după direcţia radială se numeşte grosimea radială -a- iar cea după direcţia axială se numeşte icircnălţimea -h- icircn stare montată 28
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
diametrul exterior al segmentului este egal cu alezajul D Diametrul interior al segmentului este evident Dt = Dmdashla
Fiecare piston se echipează cu doi sau mai mulţi segmenţi de compresie cu unul sau doi segmenţi de ungere Segmenţii de compresie icircndeplinesc o funcţie suplimentară evacuează o mare parte din căldura primită de piston către cilindru Segmenţii de ungere icircndeplinesc de asemenea o funcţie suplimentară dozează şi distribuie uniform uleiul pe oglinda cilindrului
Uleiul ajunge pe cilindru icircn cantitate necontrolată icircntotdeauna icircn exces şi numai icircntr-un singur plan planul de mişcare al articulaţiei normal pe axa arborelui cotit El trebuie distribuit uniform pe toată suprafaţa cilindrului şi dozat convenabil icircn acest scop
Al doilea segment de etanşare are următoarea formă a secţiunii ca icircn figura alăturată
La această formă etanşarea e bună după un timp de rodaj relativ scăzut Etanşarea se face pe o suprafaţă mică Rezultă un contact bun pe toată suprafaţa Pe planul superior al segmentului s găseşte inscripţionat cuvacircntul ldquoTOPrdquo ce reprezintă partea care se montează spre segmentul de foc (spre camera de ardere) Această formă geometrică generează cu uşurinţă pana de ulei icircn cursa spre PMI şi raclează uleiul icircn cursa spre PME
Segmentul de ungere se caracterizează prin presiune medie elastică ridicată jocuri reduse icircntre segment şi feţele laterale ale canalului din piston prezenţa unor cavităţi unde se adună uleiul răzuit de pe pereţii cilindrului Numărul feţelor răzuitoare este dublu icircnălţimea segmentului se măreşte icircnălţimea suprafeţei efective de sprijin se micşorează Segmentul este cu ferestre prevăzut cu două margini cu flancurile paralele rezultacircnd presiuni de apăsare mai mari pe oglinda cilindrului ca icircn figura alăturată 122 Caracterstici impuse segmentilor materiale utilizate la suprafata segmentilor
Materialul pentru segmenţi trebuie să posede următoarele proprietăţi
calităţi bune de alunecare pentru a atenua pierderile mecanice icircn condiţiile frecării semifluide şi a preveni gripajul duritate ridicată pentru a prelua sarcinile mari de contact şi pentru a rezista la uzura adezivă şi abrazivă rezistenţă la coroziune pentru a atenua efectul atacurilor chimice şi electro-chimice rezistenţă mecanică ridicată la temperaturi relativ mari (200 300degC) pentru a realiza un segment uşor cu dimensiuni reduse modul de elasticitate superior la temperaturi relativ mari invariabil icircn timp pentru a preveni vibraţia
29
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
calităţi bune de adaptabilitate rapidă la forma cilindrului
Nu există materiale care să satisfacă simultan cerinţele enunţate Dintre cele două aliaje ale fierului oţelul este impropriu icircntrucicirct nu posedă calităţi satisfăcătoare de alunecare Cea mai bună soluţie de compromis o constituie fonta icircn unele cazuri cicircnd fonta nu poate satisface cerinţele de rezistenţă mecanică se utilizează oţelul
Deoarece segmentul alcătuieşte icircmpreună cu cilindrul un cuplu de frecare fonta din
care se confecţionează trebuie să satisfacă două cerinţe funcţionale fundamentale să se comporte favorabil la alunecare şi să reziste la uzură
30
Natura materialului (compoziţia icircn )
Duritatea HB
Rezistenta de rupere [daNcm1]
E [daNmm2]
icircntindere
icircncovoiere
1) Fontă K 1 C = 34 40 Si = 24 30 Mn = 05 08P = 0406 S lt 012 Cr lt 03 Cu lt 03 Grafit lamelar
210280 gt3500 8 500 11500
2) Fontă IKAC = 3448 Si = 2532 Mn = 05 08Plt035 Slt008 Cr = 04 07 V = 0103 Mo = 08 13 Ni = 0508 Cu = 08 12 Grafit fin lamelar
300380 mdash 5=5000 10 00013 000
3) Fontă K9C = 3540 Si = 2129 Mn = 02 05Plt03 Slt005 Crlt02 Niltl0 Grafit nodular
270360 gt60 5=130 gt 15 000
4) Otel KS-3C = 08095 Si = 035 050 Mn = 025 055Plt004 Slt004 Cr= 170 185 V = 008015 Mo = 10 125
- - 21000
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
In acest scop fonta trebuie să conţină ca orice aliaj antifricţiune două faze o fază dură cu rezistenţă mecanică icircnaltă pentru a prelua sarcina de contact o fază moale cu rezistenţa mică la deformare plastică care asigură proprietatea antigripantă a materialului Fonta pentru segment care satisface bine cerinţele unui material antifricţiune este fonta cenuşie perlitică cu grafit lamelar La această varietate de fontă faza antigripantă o constituie grafitul care are plasticitate redusă (HBlt 100) reţine uleiul de ungere şi rezistă icircn plus la atacul acizilor O microstructură perlitică favorabilă cuprinde grafitul sub formă de lamele fine de 30 100 um (fig 1285 a) dispersate uniform şi fără legătură icircntre ele
O cale de mărire a durabilităţii segmentului o constituie protejarea lui cu straturi superficiale metalice Straturile superficiale sicircnt de două categorii unele măresc rezistenţa la uzură icircn timpul funcţionării altele icircmbunătăţesc rodajul (reduc durata de rodare) previn gripajul
Din prima categorie fac parte straturile superficiale dure din a doua categorie fac parte straturile superficiale moi Acţiunea acestor straturi rămacircne eficientă şi o perioadă de timp după rodaj (picircnă cicircnd sicircnt complet eliminate) deoarece metalul moale se adună icircn microvăile dintre asperităţi Straturile moi care icircmbunătăţesc condiţiile de rodaj se confecţionează din Pb St Cd Prin plumbuire cositorire cadmiere se asigură o peliculă superficială protectoare Protecţia segmentului la uzură corozivă se asigură uneori prin acoperire cu un strat superficial de fosfor
123 Calculul segmentilor
Calculul segmentului are următoarele obiective să stabilească forma segmentului icircn stare liberă şi mărimea rostului astfel icircncicirct prin stricircngere pe cilindru segmentul să dezvolte o repartiţie de presiune determinată să stabilească cele două dimensiuni de bază ale segmentului să verifice ca eforturile unitare care apar icircn segment la deschiderea lui pentru montaj să nu depăşească limita admisibilă să verifice rostul la cald pentru a preveni impactul dintre capete icircn timpul funcţionării
31
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Forma şi dimensiunile caracteristice ale segmentuluiDistribuţia presiunii radiale pe periferia segmentului denumită pe scurt curba
presiunii se precizează icircntr-un sistem de coordonate bdquopolarerdquoExpresia generală a curbei de presiune este
PEψ=PE [1+sumγ=2
γ=n
(pγ
pE
)sdotcos γsdotψ ] [ N m2 ]
Cea mai utilizată curbă de presiune pentru care distribuţia de presiune prezintă o variaţie lină si are următoarea expresie generală
Curba de repartiţie linăa presiunii segmentuluipe oglinda cilindrului
peψ=pE(1+0 42cos 2ψminus0 18 cos 3ψ ) [Nm2]
unde pE - reprezintă presiunea medie elastică şi depinde de turaţia la putere
maximă a motorului n p Astfel vom avea pE=0 2iquest [ MPa ] iquest
32
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
ψ - reprezintă unghiul secţiunii icircn care se determină presiunea
dezvoltată de elasticitatea proprie a segmentului peψ Acesta ia valori de la 0 la 180
de gradePresiunea icircntr-o secţiune oarecare ψ dezvoltată de elasticitatea proprie a
segmentului peψ este prezentată icircn tabelul cu ldquo Valorile presiunii momentului
icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoMomentul icircncovoietor icircntr-o secţiune
Presiunea peψ exercitată de cilindru asupra segmentului este preluată de
tensiunile interioare care menţin segmentul icircn stare de echilibru Ca urmare fiecare secţiune a segmentului este solicitată de un moment icircncovoietor care se determină cu ajutorul relaţieiM ψ=csdotRmsdotpE(1+cosψminus0 1625 cosψminus0 14 cos2 ψ+0 022 cos3ψ ) [Nm] unde c - reprezintă un parametru constructiv al segmentului
Rm - reprezintă raza medie a segmentului
Valorile momentului icircncovoietor M ψ icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul ldquoValorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψ rdquoParametrul constructiv al segmentului c se determină cu relaţia
c=hsdot
Da
Da
minus1 [mm]
unde
Da - se alege icircn funcţie de alezajul cilindrului Astfel pentru un alezaj D=80
mm vom avea
Da
=
803 9
= 2051
h ndash reprezintă icircnălţimea segmentului Icircnălţimea segmentului se alege icircn
funcţie de turaţia motorului Astfel pentru turaţia n p=6000iquest rot min iquest vom avea h = 12 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
c=1 2sdot20 5120 51minus1
c=1 26 mm
Raza medie a segmentului Rm se calculează cu relaţia
Rm=Dminusa2
iquest [ mm ] iquest
unde a ndash reprezintă lăţimea segmentului
33
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Cunoscacircnd că raportul
Da
= 2051 şi că alezajul D = 80mm rezultă că lăţimea
segmentului este
a=
D20 51 [mm]
a=
8020 51
a=39 mmIcircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine raza medie a segmentului
Rm=80minus392
Rm=38 05iquestmm iquestForma liberă a segmentuluiForma liberă a segmentului se stabileşte pe baza observaţiei că punctul N din fibra
medie icircn stare montată de coordonate Rm şi ψ se deplasează icircn poziţia N0 de
coordonate Rm0 şi ψ0 Deplasarea relativă a punctului N0 faţă de N se compune din deplasarea radială t şi deplasarea unghiulară ε Deplasarea radială icircn secţiunea ψ are următoarea expresiet=RmsdotBsdot(1+05sdotψsdotsin ψ ) [mm] unde B ndash este un parametru fundamental al segmentului care rezultă prin identificare ţinacircnd seama de relaţia
B=
csdotRm3sdotpE
EsdotI
B=1 26sdot21523sdot0 2
0 9sdot105sdot9 88
B=0 0028 unde E ndash reprezintă modulul de elasticitate longitudinal care are valoarea E=09 105 [MPa] I ndash reprezintă momentul de inerţie şi se calculează după formula
I=hsdota3
12iquest[ m4 ] iquest
I=2sdot393
12
I=9 88iquestm4 iquestDeplasarea unghiulară icircn secţiunea ψ are următoarea expresieε=Bsdot(ψ+05sdotsin ψminus05sdotψsdotcosψ [grad] Valorile deplasării radiale şi unghiulare icircntr-o secţiune ψ sunt prezentate icircn tabelul de mai jos
34
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
ψ pEψ M ψt ε
[grad] [ daN cm2 ] [Nmiddotm] [mm] [grad]
0 2480middot105 3095 069 0
10 2478middot105 3082 07 00161
20 2463middot105 3043 073 00327
30 2420middot105 2980 078 00503
40 2326middot105 2891 084 00692
50 2166middot105 2778 092 00897
60 1940middot105 2640 1 01121
70 1668middot105 2474 108 01364
80 1391middot105 2279 116 01626
90 1160middot105 2052 123 01905
100 1031middot105 1795 128 02198
110 1045middot105 1512 131 02500
120 1220middot105 1212 131 02806
130 1542middot105 909 129 03110
140 1966middot105 621 123 03404
150 2420middot105 368 114 03681
160 2823middot105 171 102 03933
170 3101middot105 044 086 04153
180 3200middot105 001 069 04334
Valorile presiunii momentului icircncovoietor deplasării radiale şi axiale icircntr-o secţiune oarecareψRostul icircn stare liberă
So=asdotPE (3minusg ) ( D a ) [ (D a )minus1 ]3
0 424sdotEiquest [mm ] iquest
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
So=3 9sdot0 2sdot(3minus0 1625 ) (803 9 ) [ (803 9 )minus1 ]3
0 424sdot0 9sdot105iquest iquest
So= 3 991 iquestmm iquest
Grosimea radială a segmentuluiGrosimea radială a segmentului se determină cu relaţia
Da
=0 58 radic σ a
pE
35
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
unde σ a - reprezintă rezistenţa admisibilă Rezistenţa admisibilă se determină icircn funcţie de alezajul cilindrului D Avacircnd icircn vedere că alezajul cilindrului este 80 mm
vom avea σ a=280iquest MPa iquest
a= D
0 58radic σa
pE [mm]
a=80
0 58radic2800 2
a=3 68 mm
Verificarea segmentului la dilatareRostul la cald Sc se limitează deoarece la valori mari etanşarea este nesatisfăcătoare iar la valori mici apare pericolul de impact Ca urmare se determină valoarea rostului la montaj Sm care asigură rostul la cald propus
Sm=πsdotDsdot[ α s( t sminusto )minusα c( t cminusto ) ]+Sc
1+α s( t sminusto ) [mm]
unde α s şi α c - reprezintă coeficienţii de dilatare ai materialului de segment şi cilindru Cei doi coeficienţi au de obicei aceleaşi valori cele două organe fiind
confecţionate din fontă α s=α c=(10 12 )sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=130∘ 180∘
t cminusto=80∘ 100∘
Sc - reprezintă rostul la cald Rostul la cald se stabileşte icircn funcţie de alezaj şi
tipul motorului Se admite Sc=(0 0015 0 003 )sdotD
Aleg α s=α c=11sdot10minus6 [ gradminus1 ]
t sminusto=150∘
t cminusto=90∘
Sc=0 0025sdotD [mm]
Sc=0 0025sdot80
Sc=02 mmg = 01625
Icircnlocuind icircn relaţia de mai sus vom obţine
36
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Sm=πsdot80sdot[11sdot10minus6sdot150minus11sdot10minus6sdot0 090 ]+0 2
1+11sdot10minus6sdot150Sm=0 614 mmRostul la montaj variază după norme DIN icircntre 02hellip07 mm valoarea inferioară pentru alezajul D=50 mm cea superioară pentru D=200 mmSe observă că rostul la cald şi cel la montaj se icircncadrează icircn intervalele prezentate icircn literatura de specialitate
124 Tehnologia metalurgica de obtinere a segmentilorLa execuţia segmenţilor icircn afara condiţiilor privind precizia dimensională de
formă şi rugozitate a suprafeţelor se impun şi condiţii care să asigure elasticitatea acestora Abateri limită la icircnălţimea axială se admit numai icircn minus icircn limitele 001003 mm abaterile limită la grosimea radială sunt de 01 mm abaterile la deshiderea segmentului icircn stare montată sunt de 0203 mm nefiind admisă depăşirea icircn minus a jocului Abateri de la planitate se acceptă pacircnă la 50 din toleranţa icircnălţimii axiale abaterea de la planitatea periferică (ondulaţia) se admite pacircnă la 002 mm pentru segmenţi cu diametrul pacircnă la 130 mm
Duritatea segmenţilor din fontă nealiată sau aliată trebuie să fie 98-112 HBEtanşeitatea la lumină este obligatorie pe cel puţin 90 din circumferinţa
segmenţilor pentru segmenţi cromaţi nu se admit interstiţii de lumină Execuţia segmentilor prevede şi alte condiţii specifice funcţie de particularităţile constructive (fig108)
Pentru materialul segmenţilor se impun urmăoarele proprietăţiicircnaltă rezistenţă la uzură icircn condiţiile frecării semiuscate şi interacţiune bună cu materialele cilindrului proprietăţi mecanice ridicate şi stabile la temperaturile icircnalte de funcţionare bune calităţi de amortizare şi rezistenţă ridicată la impact conductivitate termică ridicată
Fonta s-a dovedit a fi cel mai bun material care să icircndeplinească condiţiile impuseIcircn fabricaţia segmenţilor se utilizează fonta cenuşie perlito-sorbitică cu grafit lamelar (aliată sau nealiată) şi fonta modificată cu structura perlitică cu grafit nodular (aliată sau nealiatacirc) Structura favorabilă şi proprietăţile mecanice impuse se obţin la o compoziţie chimică adecvată
Oţelul se utilizează icircn cazuri particulare mai ales pentru segmenţii de ungere care sunt icircn general fabricaţi din bandă de oţel carbon sau oţel aliat Pentru expandor se utilizează oţelul de arc Datorită faptului că fonta cu grafit nodular precum şi oţelul au proprietăţi de frecare uscată mai nefavorabile se impune acoperirea acestora cu crom sau molibden cu atacirct mai mult pentru segmentul de foc
Segmentii din materiale metaloceramice conţin ca elemente de bază fier sub formă de pulbere şi grafit Ia care se adaugă cupru şi nichel icircn stare pură precum şi crom mangan fosfor icircn combinaţie cu fierul Segmenţii de acest fel se obţin prin
presare individuală la o presiune de (712)x102 Nmm2 icircncălzite icircntr- un cuptor
37
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
electric la temperatura de 11001150degC icircn atmosferă de hidrogen timp de o oră urmată de răcire
Avantajul principal al segmenţilor metaloceramici este rezistenţa rnare la uzură datorită unui număr mare de cavităţi care reţin uleiul Icircn acelaşi timp se realizează economii de materiale (15t metal la 1t piese finite) şi se reduce timpul de prelucrare
In cazul motoarelor de automobile producţia segmenţilor fiind de serie mare sau de masă semifabricatele se obţin prin turnare individuală icircn ciorchine Prin această metodă fiecare semifabricat se obţine ca o piesă turnată separat cu adaosuri minime de prelucrare cu o structură compactă fin granulată Se reduce manopera pentru prelucrarea mecanică şi cantitatea de metal aşchiat Se pot turna segmenţi cu forma exterioară rotundă sau ovală in funcţie de metoda de prelucrare mecanică Icircn cazul uzinelor specializate procesul tehnologic de turnare individuală este automatizat
Pentru a icircnlesni adaptabilitatea la forma cilindrului cacirct şi pentru a mări rezistenţa la coroziune şi uzură segmenţilor li se aplică icircn diferite situaţii acoperiri de suprafaţă Aceste acoperiri prezintă o serie de particularităţi care se prezintă icircn continuare
Cositorirea şi cuprarea - Sunt acoperiri aplicate prin galvanoplastie grosimea stratului 5-10 microm care prin proprietăţile lor cvasilubrifiante favorizează adaptabilitatea şi icircmpiedică griparea
Cromarea - Cromarea este una din cele mai uzuale metode de mărire a fiabilităţii segmenţilor fiind caracterizată prin duritate mare (570 - 1250 HB) coeficient de frecare redus o mare rezistenţă la uzură şi temperaturi icircnalte bună ungere şi posibilitatea de icircnmagazinare a uleiului Experimental s-a constatat că segmentul cromat reduce uzura suprafeţei cilindrului cu aproximativ 50 şi cea a segmenţilor cu cea 30 Stratul de crom poros aplicat prin galvanoplastie are icircn general o grosime de minim 008 mm Procedeul fiind scump se utilizează mai ales pentru segmentul de foc şi segmentul de ungere Grosimea stratului de crom pentru segmenţii de compresie este de 010-025mm iar pentru segmenţii de ungere de 006-012mm Pentru protecţia icircmpotriva coroziunii se depune un strat de staniu peste acoperirea cu crom
Acoperiri cu molibden - Metoda se icircntrebuinţează pentru segmenţii care lucrează la un regim termic icircnalt Acoperirile cu molibden se aplică pe suprafaţă (fig1010b) sau icircntr-un locaş (fig1010c) executat pe suprafaţa de alunecare Calităţile deosebite ale stratului de molibden constau icircn temperatura de topire icircnaltă (2620degC) structură poroasă şi acţiune lubrifiantă datorită oxidului de molibden Stratul de molibden se aplică pe o grosime de 005025 mm prin proiecţie cu flacără oxiacetiienică sau prin sudură cu plasmă
Miezurile de ferox - Miezurile de ferox (un amestec pe bază de oxid de fier) se introduc icircn canale cu adacircncimea şi lăţimea de 05 mm Miezul este poros şi se icircmbibă cu ulei asiguracircnd bune proprietăţi de alunecare icircn funcţie de icircnălţime segmentul va avea 1hellip3 canale
38
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Fosfatarea şi feroxidarea - Aceste procedee se realizează printr-un tratament chimic sau termochimic Suprafaţa segmentului icircn primul caz se transformă icircn cristale de fosfat iar icircn al doilea - icircn cristale de oxid de fier care se uzează mai repede reducacircnd astfel timpul adaptabilităţii Grosimea stratului minim 2 microm125 Tehnologia mecanica de prelucrare a segmentilor
Specificul tehnologiei de fabricaţie a segmenţilor rezultă din faptul că pe lacircngă condiţiile referitoare la precizia dimensională şi calitatea suprafeţei trebuie să li se asigure şi proprietăţi elastice determinate UItima condiţie pentru segmenţii din fontă se asigură prin două metode prin icircndepărtarea unei porţiuni de material sau prin termofixare
Icircn metoda eliminării unei porţiuni de material semifabricatul turnat sub forma ovală se strunjeşte prin copiere de asemenea oval După strunjire se decupează o porţiune care corespunde cu deschiderea sgmentului icircn stare liberă Apoi segmentul este stracircns icircn dispozitiv şi strunjit la forma cilindrică corespunzătoare poziţiei de montaj
Prin această metodă se obţin segmenţi de calitate superioară fapt pentru care este metoda cea mai folosită
Icircn metoda de termofixare segmentii se strunjesc rotund pacircnă Ia cota finală cu excepţia suprafeţei cilindrice exterioare la care se lasă un adaos pentru finisare de 0409mm Cu o freză disc se execută fanta corespunzătoare cu deschiderea icircn stare montată a segmentului Segmenţicirci astfel obţinuţi se montează pe un dorn prevăzut cu o proeminenţă care să forţeze desfacerea segmentului corespunzător fantei icircn stare liberă
Icircn această situaţie se aplică tratamentul termic de termofixare se icircncălzesc segmenţii pacircnă la o temperatură de circa 600degC după care se răcesc icircn aer Ca ultimă operaţie după tratamentul termic segmenţii se fixează icircn poziţie stricircnsă Deoarece prin termofixare nu se pot asigura calităţi elastice corespunzătoare metoda are o aplicabilitate limitată Segmenţii de oţel se prelucrează după tehnologii specifice
Particularităţiie operatiiior de prelucrare şi a dispozitivelor utilizate decurg din faptul că asemenea piese inelare cu rigiditate redusă nu pot fi prinse individual Prelucrarea se face icircn pachete de segmenţi
Icircn vederea formării pachetelor de segmenţi ca bază de aşezare se aleg suprafeţele palane Pentru a putea fi utilizate icircn acest scop suprafeţele se rectifică pe maşini de rectificat specializate
După rectificarea suprafeţelor frontale se formează pachete de segmenţi icircn vederea strunjirii orientacircnd segmenţii icircn aşa fel icircncacirct fanta să se taie la toţi segmenţii din dreptul canalului de evacuare a zgurii de la turnare Formarea pachetelor se face pe un dorn şi prin stacircngere icircntr-un dispozitiv portabil Icircn acest fel pachetele sunt transportate de la o operaţie la alta fără a fi demontate Strunjirea suprafeţelor cilindrice se poate executa prin copiere separat pentru exterior şi interior O metodă modernă de mare productivitate este stunjirea ovală simultană a ambelor suprafeţe prin copiere după şablon
39
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
Icircn cazul segmentjor strunjiţi oval pentru decuparea porţiunii de material corespunzătoare fantei icircn stare liberă se utilizează maşini de frezat specializate prevăzute cu două freze cu axe icircnclinate Icircn acest fel se asigură fără prelucrări suplimentare paralelismul capatelor segmentului icircn stare montată Operaţia următoare este calibrarea fantei care se execută cu freză sau cu pietre disc
Adaosul de prelucrare este de 0406 mm pe fiecare parte frontală a capetelor Icircn cazul segmenţilor rotunzi fanta se taie cu o freză disc avacircnd o grosime mai mare decacirct grosimea fantei icircn stare montată a segmentului
Prelucrarea segmenţilor la forma rotundă - Pentru această operaţie după tăierea fantei se execută pachete cu segmenţii stracircnşi icircn dispozitive speciale care asigură forma rotundă Se execută operaţia de strunjire exterioară prelucrarea teşiturilor şi operaţia de calibrare a capetelor segmenţilor
După prelucrările arătate mai icircnainte segmenţii sunt supuşi unui control intermediar şi apoi sunt pregătiţi pentru cromare Stratul de crom poros de grosime prevăzută icircn condiţiile tehnice se depune icircn baia de cromare pe suprafaţa cilindrică exterioară Icircn final se execută o calibrare cu piatra şi o rodare a suprafeţei cromate
Rodarea se execută pe maşini de honuit icircn cămăşi de fontă icircn prezenţa unui lichid abraziv Pentru a obţine forma uşor bombată a suprafeţei exterioare segmenţii se aşează liberi pe dornuri
Segmenţii sunt supuşi unui control interoperaţii şi unui control final Primul control intermediar se efectuează după operaţiile de rectificare a suprafeţelor frontale pentru descoperirea eventualelor defecte de Ia turnare
Icircn cadrul controlului final se verifică respectarea icircntocmai a condiţiilor tehnice de execuţie icircn principiu se execută următoarele operaţii controlul dimensiunii fantei segmentului precizia formei geometrice a suprafeţei exterioare controlul la lumină (se verifică uniformitatea aşezării segmentului pe periferie) uniformitatea grosimii radiale pe icircntraga circumferinţă icircnălţimea axială planitatea şi paralelismul suprafeţelor frontale controlul caracteristicilor mecanice
La determinarea caracteristicilor mecanice modulul de elasticitate ε al segmenţilor se determină pe baza forţei de icircnchidere diametrală Fd sau a forţei de icircnchidere tangenţială Ft pacircnă la icircnchiderea icircn stare montată
Metodele de verificare şi control de obicei sunt prescrise icircn normele uzinelor constructoare sau sunt precizate prin standarde de stat
Icircn cazul producţiei de masă tehnologiile moderne prevăd instalaţii automate de control care execută şi sortarea pe grup de toleranţe şi elasticitate
Segmenţii compuşi din benzi circulare laminate şi expandor folosiţi ca segmenţi de ungere se execută după o tehnologie de fabricaţie diferită de cea a segmenţifor turnaţi
Banda de oţel se obţine prin tragere rulare sau laminare După debitare la lăţime banda se icircnfăşoară pe un dorn special obţinacircnd un semifabricat sub forma unei spirale printr-un procedeu de deformare plastică la rece După icircnfăşurarea benzii urmează un tratament termic de călire (50-55 HRC) iar icircn stare icircnfăşurată o rectificare exterioară pe maşini de rectificat icircntre vacircrfuri icircn continuare se succed
40
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41
operaţiile icircn următoarea ordine rectificarea interioară a benzii icircnfăşurate tăierea fantei si teşirea fantei
41