Biela

Biela

1. Constructia bielei

Biela face legatura intre piston si arborele cotit, avand si rolul de a transmite forta de presiune dezvoltata prin arderea combustibilului. Prin intermediul bielei miscarea alternativa de translatie a pistonului este transformata in miscare de rotatie a arborelui cotit.

Masa si constructia bielei influenteaza modul de functionare a motorului.

1) piciorul bielei - se articuleaza cu pistonul prin intermediul boltului

2) capul bielei - se articuleaza cu fusul maneton al arborelui cotit

3) corpul bielei - este partea centrala, care face legatura intre piciorul bielei si capul bielei.

Pentru a permite articularea cu fusul maneton, capul bielei se sectioneaza dupa un plan normal pe axa longitudinala a acestuia sau in planuri inclinate la 30⁰, 45⁰ 60⁰ fata de acest plan normal. Partea detasabila a capului se numeste capac. Fixarea capacului se face cu ansamblari filetate.

In general, sectiunea transversala a corpului are forma de dublu T (sau H). Pentru asigurarea ungerii piciorului bielei in cazul montajului cu bolt flotant se poate practica un canal in lungul corpului. O solutie mai economica pentru ungerea piciorului este gaurirea acestuia in partea superioara.

Asupra bielei actioneaza forta de presiune dezvoltata prin arderea combustibilului si forta de inertie a maselor in miscare de translatie. Efectul fortelor centrifuge care apar datorita miscarii oscilatorii, care solicita corpul bielei la incovoiere, poate fi neglijat in calculele uzuale.

Biela este supusa alternativ la solicitari de intindere si compresiune. La motoarele supraalimentate solicitarea de compresiune este mai mare decat cea de intindere. De aceea este necesar sa se acorde o mare atentie solicitarii de flambaj.

Solicitarea de intindere este semnificativa in cazul m.a.s. rapide.

Ansamblarea filetata prin care se fixeaza capacul de biela trebuie sa satisfaca urmatoarele cerinte:

- sa mentina strans unite cele doua componente

- sa asigure forma geometrica corecta

Din punct de vedere constructiv trebuie avut in vedere:

- asigurarea stabilitatii dimensionale a suprafetelor interioare ale piciorului si capului

- realizarea unei ungeri corespunzatoare a piciorului. La motoarele actuale canalele de ungere practicate in lungul corpului sunt rar folosite. Se prefera gaurirea partii superioare a piciorului.

- asigurarea unei asamblari corecte a capului

- proiectarea formei constructive in concordanta cu solicitarile

Piciorul bielei are o forma tubulara. Racordarea piciorului cu capul se face la un unghi j=90 130⁰ fata de axa longitudinala (fig. 1)

Figura 1

Cu cat unghiul j are o valoare mai mica biela va fi mai robusta, dar in schimb masa sa creste.

Sectionarea oblica a capului se face de obicei la 45⁰, pentru a permite trecerea bielei prin cilindru la montaj. Dezavantajul acestei solutii este gaurirea bielei intr-o zona intens soliciata (zona de legatura dintre corp si cap) si, in plus, suruburile de fixare sunt supuse la actiunea fortelor tangentiale.

Se aplica sectionarea oblica a capului in special la motoarele cu cilindri in V si la m.a.c.-urile pentru vehicule comerciale, deoarece diametrul fusului maneton este mai mare, ceea ce face ca si diametrul exterior al capului sa creasca.

Raportul dintre raza manivelei si lungimea bielei pentru motoarele de autoturisme este:

L=r/l=0,28 0,33 , cu valori mai mici pentru m.a.c.

Tehnologii de realizare a semifabricatului

a. Forjare in matrita

Materialele utilizate pentru forjarea in matrita sunt bare de otel avand sectiunea circulara sau dreptunghiulara incalzite la 1520-1570 K.

Pentru obtinerera structurii si caracteristicilor mecanice necesare se aplica diferite tratamente, in functie de tipul otelului:

- calire in timpul forjarii

- racirea controlata in curent de aer

- calire prin metoda conventionala

De obicei, biela se forjaza dintr-o bucata, sectionarea capului fiind realizata ulterior.

b)Turnare

Bielele din fonta se toarna in forme din nisip

c)Sinterizare

Sinterizarea pulberilor metalice se face in cuptoare electrice la aproximativ 1400 K si este urmata de forjare in matrita pentru a mari densitatea materialului piesei.

Indiferent de modul de realizare a semifabricatului urmeaza operatiile de prelucrare mecanica prin care rezulta forma finala.

Materialele utilizate pentru fabricarea bielelor se aleg in functie de solicitari si de tipul motorului. Cele mai utilizate sunt:

- pentru semifabricat obtinut prin turnare:

- fonta cu grafit nodular

- fonta neagra maleabila

Fonta cu grafit nodular este mai avantajoasa din punct de vedere economic si al proprietatilor mecanice si este mai ieftina. Incluziunile compacte de grafit confera acestei fonte rezistenta si duritate buna si, in plus, usureaza turnarea. In urma turnarii se obtine structura ceruta, fara a fi necesare tratamente termice suplimentare.

In cazul fontei negre maleabile, pentru a obtine structura ceruta este necesara aplicarea unor tratamente termice dupa turnare.

-pentru semifabricat obtinut prin forjare in matrita:

- oteluri slab aliate - 27MnVS6

- oteluri manganoase - C40 sau C70S6

- oteluri aliate - 34Cr Ni Mo6 sau 42CrMo4 pentru biele care lucreaza in conditii grele

2. Calculul bielei

2.1. Calculul piciorului bielei

Piciorul bielei are o forma tubulara (fig. 1). Dimensiunile caracteristice ale piciorului sunt prezentate in figura 2.

Figura 2

unde: - d_eb [mm] - diametrul exterior al boltului

- d_ip [mm] - diametrul interior al piciorului bielei (daca boltul este fix d_ip=d_eb deoarece nu mai este necesara montarea bucsei in piciorul bielei)

- d_ep [mm] - diametrul exterior al piciorului bielei

- h_b [mm] - grosimea radiala a bucsei

- h_b [mm] - grosimea radiala a bucsei

Diametrul exterior al boltului, d_eb [mm]

Lungimea piciorului bielei, l_b [mm]

Diametrul exterior al piciorului, d_e [mm]

Grosimea radiala a piciorului, h_p [mm]

Grosimea radiala a bucsei, h_b [mm]

Diametrul interior al piciorului bielei, d_ip [mm]

a). Solicitarea de intindere:

Forta de intindere (tractiune) a piciorului bielei, F_t

Forta normala si momentul incovoetor determinat de forta de tractiune :

Momentul incovoietor in planul de simetrie V-V determinat de forta F_t,  M in [N*m]

Forta nominala in planul de simetrie V-V determinat fe forta F_t, N in [N]

Momentul incovoietor in sectiunea I-I determinat de forta F_t, in [N*m]

Forta normala in sectiunea de incastrare determinate de forta F_t, [N]

Unghiul de incastrare φ₁ [⁰]

Raza medie a pistonului r_m [mm]

Efortul unitar in fibra exterioara determinat de forta F_t in sectiunea φ₁, [MPa]

In care :

K- coeficientul de proportionalitate pentru bolt flotant

A_b- aria sectiunii bucsei, [mm²]

A_p - aria sectiunii piciorului bielei, [mm²]

Efortul unitar in fibra exterioara determinat de forta F_t in sectiunea φ₁, [MPa]

Efortul unitar in fibra interioara determinat de forta F_t in sectiunea φ₁, [MPa]

b). Solicitarea de compresiune:

Momentul incovoietor n sectiunea I-I determinat de forta F_c, , [N*m]

In care:

- momentul incovoietor in planul de simetrie V-V determinat de forta F_c, in [N*m]

Forta nominala in sectiunea I-I determinate de forta F_c, [N]

Efortul unitar in fibra exterioara, determinat de forta F_c, [MPa]

Efortul unitar in fibra exterioara, determinat de forta F_c, [MPa]

c). Solicitarii de fretaj.

Presiunea de fretaj, p_f [MPa]

In care:

s_t - strangerea termica [mm]

s_m- strangerea la montaj [mm]

Efortul unitar in fibra exterioara determinat de presiunea de fretaj p_f,

Efortul unitar in fibra interioara determinat de presiunea de fretaj p_f,

Efortul maxim in fibra exterioara, [MPa]

Efortul maxim in fibra exterioara, [MPa]

Deformatia piciorului pentru bolt flotant in biela, [mm]

In care:

I-momentul de inertie, in [mm]

E_ol- coeficientul de elasticitate al otelului, in [mm]

E_ol=2,1*10⁵ Mpa

Calculul coeficientului de siguranta, c.

In care:

coeficientul efectiv de concentrare la solicitarii variabile

coeficientul de calitate al suprafetei pentru biele ecruisate

Se adopta:

factor dimensional

ε= 0,9 conform [1, Fig 13,24 curba 4, pag 492]

ψ- coeficient ce depinde de caracteristica materialului

ψ=(0,12 . 0,2), conform [1, pag 491]

Se adopta ψ

2.2. Calculul corpului bielei:

Dimensiunile caracteristice mai raspandite pentru profilul dublu T al bielei sunt indicate in Tabelul 3.8 unde H reprezinta latimea talpilor. Daca latimea H variaza de la picior Hp la cap Hc pentru dimensiunile caracteristice Hp si Hc sunt date relatii tot in tabelul respectiv. Calculul de verificare se dezvolta in sectiunea mediana M-M a corpului si in sectiunea minima m-m sub picior.

Calculul solicitarilor in sectiunea m-m;

Calculul solicitarilor in sectiunea d-d;

Calculul solicitarilor pentru sectiunea mediana M-M

Forta de intindere (tractiune) in sectiunea minima m-m, F_tm-m [N]

Efortul unitar de intindere, [MPa]

In care : A_m-m aria sectiunii m-m, in [mm²]

Forta de compresiune in sectiunea m-m

Efortul unitar de compresiune, [MPa]

=197 [MPa]

Coeficient de corectie in plan de oscilatie O-O:

Tensiunea de compresiune si flambaj in planul de oscilatie:

Tensiunea maxima si minima

Coeficientul de siguranta

In care: σ_-1t=0,315*σ_r

σ_r=570..750 [MPa] pentru biela din OLC

β_k-coeficient efectiv de concentrare la solicitarii variabile

β_k

- coeficient de calitate al suprafetei pentru biele ecruisate

se adopta

-factor dimensional

-coeficient ce depinde de caracteristica materialului

se adopta ψ=0,16

Forta de intindere (tractiune) in sectiunea mediana M-M

Forta de compresiune in sectiunea mediana M-M

2.3 Capul bielei:

Dimensiunile principale ale capului bielei , respectiv diametrul interior si lungimea sunt determinate de cele ale fusului maneton. Deoarece partea superioara a capului este racordata larg cu corpul bielei, solicitarea la compresiune este neinsemnata. Solicitarea la intindere se transmite numai capului si este determinata de forta de inertie a maselor aflate in miscare de translatie si de forta centrifuga F_RB data de masa bielei aflata in miscare de rotatie, mai putin masa capacului.

Diametrul fusului maneton, d_M [mm]

d_M=(0,5..0,68)*D [mm]

d_M=0,6*84,5=50,7 [mm]

d_M=51[mm]

Lungimea fusului maneton, l_M [mm]

l_M=(0,5..0,75)*d_M

l_M=0,74*51=37,74 [mm]

l_M=38 [mm]   

Grosimea cuzinetilor, h_cuz [mm]

Diametrul interior al capacului, D_ic [mm]

Diametrul exterior al capacului, D_ec [mm]

Masa capacului

Forta de intindere, F_t [N]

Diametrul mediu al capacului

Efortul unitar in fibra rxterioara, σ [MPa]

Tensiunea maxima in fibra exterioara se determina in ipoteza ca unghiul de incastrare φ=130⁰ deoarece aceata variaza intre limite restranse.

i_c- momentul de inertie al capului

aria sectiuni transversale a capului respectiv cuzinetului:

Diametrul exterior al cuzinetului

Deformatia maxima a capului: