ARBORELE COTIT

ROLUL FUNCTIONAL

Arborele cotit transforma miscarea de translatie a pistonului intr-o miscare de rotatie si transmite spre utilizare momentul motor dezvoltat de forta de presiune a gazelor. La motoarele    policilindrice arborele cotit insumeaza lucrul mecanic produs de fiecare cilindru si-l transmite utilizatorului. Totodata, arborele cotit antreneaza in miscare unele agregate si sisteme auxiliare ale motorului.

CONSTRUCTIA ARBORELUI COTIT

Arborele cotit este alcatuit dintr-un numar de coturi egal cu numarul cilindrilor -la motoarele in linie- sau cu jumatatea numarului    de cilindri - la motoarele in V. La randul sau, fiecare cot este format din doua brate si un fus maneton care se articuleaza cu capul bielei. In unele cazuri (in special la motoarele rapide si semirapide), pentru echilibrare, pe brate, in partea opusa manetoanelor, se monteaza contragreutati . Legatura dintre coturi este realizata prin intermediul unor fusuri de reazem, numite fusuri palier. Considerand si fusurile palier de la extremitatile arborelui cotit, rezulta ca, in mod obisnuit, un arbore are (i+1) fusuri palier la motoarele in linie si (i/2+1) fusuri palier la cele in V. La motoarele de puteri foarte mici, fusurile palier intermediare pot lipsi, legatura dintre coturi realizandu-se prin intermediul unui brat comun, oblic (fig. 2.32.).

Partea arborelui cotit care transmite spre utilizare momentul motor (este cuplata cu consumatorul) se numeste partea posterioara, iar, in opozitie cu ea, cealalta extremitate se numeste partea frontala. La partea posterioara se prelucreaza o flansa de care se prinde volantul cu coroana dintata. Aceasta piesa asigura o uniformizare a vitezei unghiulare a arborelui cotit. Datorita miscarii alternative a pistoanelor si variatiei in limite largi a presiunii fluidului motor, rezulta variatii importante ale momentului motor si, implicit, a vitezei unghiulare de rotatie. Pentru ca aceste variatii sa nu devina suparatoare, se monteaza volantul care are o masa (implicit moment de inertie) ridicata. Drept urmare, el joaca rolul de acumulator de energie, inmagazinand, in conditii de variatie limitata a vitezei de rotatie, excedentul de energie mecanica produsa de motor. Atunci cand, in aceleasi conditii, motorul devine deficitar, in raport cu consumatorul, sub aspectul energiei mecanice reclamate de acesta, volantul cedeaza energia inmagazinata.

La partea anterioara a arborelui cotit, se monteaza, prin pana, o roata dintata pentru antrenarea agregatelor si mecanismelor auxiliare. In unele cazuri, in aceasta zona este montat si amortizorul de vibratii.

Pentru a obtine o functionare cat mai uniforma a motorului, este necesar ca intervalele care separa functionarea succesiva a cilindrilor sa fie egale si, in consecinta, decalajele unghiulare dintre coturile arborelui cotit sa fie egale. Motoarele la care este asigurata aceasta conditie poarta denumirea de motoare cu aprinderi uniform repartizate. Aceasta solutie atrage dupa sine si alte avantaje privind echilibrajul de ansamblu al motorului si, in consecinta, marea majoritate a motoarelor in linie se construiesc cu aprinderi uniform repartizate.

Pentru a stabili pozitia unghiulara relativa a coturilor, se construieste steaua manivelelor. Aceasta reprezinta configuratia geometrica obtinuta prin proiectarea planurilor coturilor pe un plan normal la axa arborelui cotit (fig. 2.33.).

La motoarele cu simpla actiune, decalajul unghiular Da dintre doua aprinderi succesive (dintre coturile arborelui cotit) rezulta prin impartirea perioadei ciclului motor:

θ_ciclu = τπ [⁰RAC] (2.1)

la numarul i de cilindri ai motorului:

Δα = θ_ciclu/i =τπ /i [⁰RAC] (2.2)

In functie de numarul de timpi τ si de numarul de cilindri i , se definesc mai multe reguli de construire a stelei manivelelor, precizate de cerintele de echilibrare a motorului cu aprinderi uniform repartizate si cilindrii in linie:

a)      la motoarele in patru timpi si numar par de cilindri, manivelele sunt doua cate doua in faza; o mai buna echilibrare se obtine prin utilizarea arborilor cotiti cu plan central de simetrie (arbori la care manivelele in faza sunt dispuse la egala distanta de mijlocul lui);

b)      la motoarele in doi timpi (indiferent de i ) si la cele in patru timpi cu numar impar de cilindri, manivelele sunt uniform distribuite in jurul axei de rotatie a arborelui cotit; si in acest caz poate fi realizata o simetrie a arborelui prin dispunerea manivelelor in opozitie la egala distanta de mijlocul arborelui (pentru i par) sau a manivelelor simetric dispuse fata de manivela mediana la egala distanta de aceasta (pentru i impar).

In cazul motoarelor in V (in exclusivitate in patru timpi) exista doua solutii posibile:

a)      daca i este divizibil cu 4, se utilizeaza un arbore cotit cu plan central de simetrie al unui motor in patru timpi cu i/2 cilindri;

b)      daca i nu este divizibil cu 4, se utilizeaza arborele cotit al unui motor in doi timpi cu i/2 cilindri (eventual simetric).

In urmatorul tabel sunt prezentate stelele manivelelor pentru cele mai uzuale tipuri de motoare in linie:

Tab. 2.2. Stelele manivelelor pentru motoare in linie, cu aprinderi uniform repartizate

Pentru o anumita configuratie a arborelui cotit exista mai multe ordini de aprindere posibile. Exista si in acest caz mai multe criterii de triere a ordinilor de aprindere si anume:

a)      incarcarea minima a lagarelor arborelui cotit;

b)      reducerea pericolului de rezonanta la vibratiile torsionale;

c)      sporirea gradului de umplere a cilindrului;

d)      reducerea trepidatiilor motorului sub actiunea momentului de rasturnare.

Primul criteriu este fundamental. Se obtine reducerea incarcarii lagarelor daca aprinderile succesive nu au loc in doi cilindri alaturati. Sunt situatii insa in care, luandu-se in considerare si celelalte criterii, se renunta la acest criteriu fundamental.

Arborele cotit se executa dintr-o bucata sau, in cazul motoarelor de puteri mari, din mai multe bucati asamblate.

Bratele arborelui cotit se pot confectiona in forma paralelipipedica (fig. 2.34.a), dar rezulta o masa sporita a lor. Utilizand aceeasi forma, pot fi insa eliminate muchiile care nu participa la transmiterea eforturi-lor (fig. 2.34.b si c). Cand se micsoreaza grosimea h a bratelor, pentru a reduce lungimea arborelui, din considerente de rezistenta, este necesara cresterea latimii b. Se ajunge astfel la forma eliptica (fig. 2.34.d) sau, chiar, circulara (fig. 2.34.e), forme care au o actiune favorabila si asupra rezistentei la oboseala.

Racordarea fusurilor cu bratul se face prin intermediul unui prag (fig. 2.35.a), cu raze de racordare mari (fig. 2.35.b) sau cu racordare cu degajari (fig. 2.35.c).

Pentru a reduce greutatea arborelui si fortele centrifuge, fusurile pot fi gaurite. Aceasta duce la marirea rezistentei la oboseala, cele mai eficiente fiind fusurile cu gauri in forma de butoi.

Ungerea arborelui cotit se realizeaza cu ulei sub presiune. Lagarele sunt alimentate cu ulei cu ajutorul unor canale practicate in arbore. In cazul fusurilor gaurite, se utilizeaza conducte de conducere a uleiului (fig. 2.36.a). Atunci cand se utilizeaza canale obisnuite, este necesara etansarea fusurilor cu capace insurubate (fig. 2.36.b) sau cu capace fixate cu tiranti (fig. 2.36.c).

Contragreutatile care pot fi montate pe bratele arborelui cotit micsoreaza fortele de inertie ale maselor cu miscare de rotatie, insa agraveaza vibratiile de rasucire ale arborelui. De aceea, in mod obisnuit, contragreutatile echilibreaza doar 40.50% din fortele de inertie de rotatie.

SOLICITARILE ARBORELUI COTIT

Dintre toate organele motorului, arborele cotit suporta cele mai mari solicitari. Sub actiunea fortelor de presiune a gazelor si a celor de inertie, in elementele arborelui cotit apar solicitari de intindere, compresiune, incovoiere si rasucire. Solicitarile de incovoiere si rasucire (fig. 2.37.) compromit coaxialitatea fusurilor, ducand la uzura rapida a lagarelor si la pericolul ruperii cotului.

Fortele variabile care actioneaza asupra arborelui cotit produc fenomenul de oboseala, periculos indeosebi la trecerea de la brat la fus. Solicitarea la vibratii torsionale este, de asemenea, periculoasa, putand produce uzuri suplimentare ale fusurilor si cuzinetilor si chiar ruperea arborelui cotit. Aceste vibratii produc defectiuni si in functionarea unor sisteme auxiliare (transmisia, distributia etc.).

Fusurile arborelui cotit sunt supuse frecarii si uzurii. Ele trebuie sa aiba o duritate ridicata si sa reziste la uzura abraziva.

Durata de serviciu a arborilor cotiti trebuie sa fie comparabila cu a pistoanelor. Nivelul ridicat al solicitarilor arborelui cotit impune confectionarea sa cu o rezistenta mecanica superioara, care se obtine prin utilizarea unui material de calitate si, mai ales, prin sporirea rigiditatii constructiei. De asemenea, arborele cotit trebuie sa aiba o masa redusa, o tehnologie cat mai simpla si o siguranta mare in functionare.

MATERIALELE DE FABRICATIE

Materialul de fabricatie a arborelui cotit depinde de procedeul de fabricatie si de dimensiunile arborelui. Arborele cotit se confectioneaza prin forjare sau prin turnare. Arborii confectionati prin forjare se realizeaza din otel, iar cei turnati, din otel sau fonta.

Turnarea este un procedeu mai nou, prezentand urmatoarele avantaje:

a)      reducerea consumului de material;

b)      realizarea usoara a formei tubulare;

c)      realizarea usoara a formelor optime impuse de necesitatile de echilibrare si de solicitarea la oboseala.

Otelurile folosite sunt: OLC 45, OLC 60, precum si otelurile aliate cu Cr, Ni, Mo, V. Fonta poseda calitati mai bune de turnare decat otelul. Ea are o rezistenta mai mica la incovoiere, dar are calitati antifrictiune superioare. Totodata, ea suporta presiuni specifice mai mari si amortizeaza mai bine vibratiile torsionale. Se utilizeaza fonta modificata, fonta maleabila perlitica si fonta aliata cu Cr, Ni, Mo, Cu.

Calitatile arborelui cotit sunt imbunatatite considerabil prin tratamente termice, termochimice sau prin prelucrari mecanice superficiale. Duritatea fusurilor creste considerabil prin calire, nitrurare sau ecruisare.