BIELA

Biela face parte din organele mobile ale motorului si uneste pistonul cu arborele cotit prin intermediul boltului.

Extremitatea bielei in care se monteaza boltul reprezinta piciorul bielei, iar cealalta extremitate care face legatura cu arborele cotit reprezinta capul bielei. Partea centrala a bielei se numeste corpul bielei.

Elementele componente ale bielei sunt solicitate de forte diferite, de exemplu: fortele produse de presiunea gazelor; forte de inertie ale maselor in miscarea de translatie (piston) si forte de inertie proprii ale bielei.

Asupra piciorului bielei actioneaza numai fortele transmise de piston, care produc solicitari de incovoiere.

Daca fortele acestea au sensul in care intind biela, piciorul se ovalizeaza.

Corpul bielei - este incarcat cu forte transmise de piston si cu fortele de inertie normale si tangentiale proprii ale bielei.

Dupa sensul fortelor axiale, corpul bielei, poate fi solicitat la intindere sau compresiune si flambaj.

Fortele de inertie tangentiale introduc (dau nastere) la solicitari suplimentare la incovoiere.

Capul bielei - este solicitat la incovoiere de fortele transmise de piston si de fortele de inertie ale ansamblului bielei (cu exceptia jumatatii inferioare a capului).

Fortele care intind biela produc ovalizarea capului ca si a piciorului.

Fortele transmise de biela sunt variabile.

La motoarele rapide, ciclul de variatie este caracterizat prin amplitudini mari (mai ales la MAI in 4 timpi) impunind realizarea bielei din materiale cu rezistenta ridicata la oboseala.

Solicitarea la flambaj a corpului bielei si necesitatea asigurarii ungerii la picior si cap impun totodata o constructie rigida.

Ovalizarea piciorului si a capului, corespunzatoare unei rigiditati insuficiente, modifica jocurile normale din articulatii, compromitind ungerea (accelereaza uzura si producerea gripajului).

Jocurile normale in articulatii impun de asemenea paralelismul axelor (piciorului si capului).

La motoarele rapide, conditia rigiditatii suficiente a bielei trebuie realizata impreuna cu asigurarea unei mase totale reduse.

In afara influentei pe care o are forma constructiva a bielei asupra rezistentei si rigiditatii, o insemnatate deosebita o prezinta lungimea (distanta dintre axa capului si a piciorului).

Adoptarea unei lungimi reduse determina :

micsorarea greutatii (scurtarea capului)

reducerea lungimii de flambaj

constructia mai zvelta (de unde o micsorare suplimentara a masei totale a bielei)

Lungimea bielei influenteaza de asemenea dimensiunile carterului, si deci gabaritul si masa totala a motorului.

In concluzie putem arata ca din punct de vedere constructiv, biela trebuie sa satisfaca urmatoarele conditii:

rezistenta ridicata la oboseala;

conditii optime de frecare la picior si cap, rigiditate suficienta a acestora;

masa redusa;

gabaritele bielei sa permita trecerea prin cilindru.

CONSTRUCTIA BIELELOR

Este foarte important ca forma bielei sa nu prezinte schimbari bruste de sectiune, deoarece din cauza eforturilor mari si variabile, in aceste zone apar crapaturi care se intind apoi repede in corpul bielei.

De asemenea, nu trebuie sa apara in timpul tehnologiei de fabricatie crapaturi sau bavuri (exces de material) care produc acelasi efect.

Inima corpului bielei in general este plina, iar cind ungerea piciorului bielei se face sub presiune, se prevede o gaura centrala in corpul bielei.

Atit din punctul de vedere al rezistentei cit si din punct de vedere economic este recomandabil ca aceasta forma sa fie obtinuta direct din matritare, fara a mai fi necesare prelucrari mecanice ulterioare.

O alta forma, mai simpla, folosita pentru corpul bielei la motoarele lente cu dimensiuni mari si mai putin incarcata este forma cilindrica.

Pentru a putea fi montat pe manetonul arborelui cotit, corpul bielei se face din doua parti; partea de deasupra, care este solidara cu corpul bielei si partea de dedesubt, in forma de capac, de care se prinde cealalta parte prin suruburi.

Capacul trebuie sa se fixeze de biela intr-o pozitie perfect centrala ceea ce se obtine in multe cazuri prin cepuri de centrare, iar in unele cazuri prin forma zimtata a suprafetei de imbinare intre biela si capac.

Mai frecvent centrarea se face de insusi suruburile de fixare care sint prevazute cu un guler, care este prelucrat la aceeasi dimensiune cu gaurile de centrare din capac si din capul bielei.

Pentru motoarele mai mici, biela se forjeaza dintr-o bucata cu capul, care este detasat de biela ulterior, cu freza.

La motoarele mai mari capacul se matriteaza separat.

Capacul de biela - trebuie sa fie atit de rigid incit sa nu se deformeze elastic in timpul functionarii, deoarece aceste deformari sint transmise cuzinetului de biela si pot duce la deteriorarea acestuia. In acest scop capacul este prevazut cu una sau mai multe nervuri exterioare.

Fixarea capacului pe corpul bielei se face prin suruburi al caror numar depinde de dimensiunile bielei si a diametrului fusului arborelui (intre 2 si 6) .

Suruburile de biela suporta eforturi de intindere mari, datorita stringerii initiale. Peste acestea se suprapun sub forma de socuri cu frecventa mare fortele de intindere care apar in biela.

Toate suruburile se string in mod uniform, iar pentru ca sa asigure aceeasi stringere, se recomanda ca la montare sa se foloseasca chei dinamometrice.

Pentru a preintimpina desfacerea piulitelor si consecintele deosebit de grave care pot sa apara daca se slabeste sau se desprinde capacul, se prevad in toate constructiile dispozitive de siguranta pentru piulite.

De cele mai multe ori, acestea se compun dintr-o tabla indoita, comuna pentru toate piulitele de pe o latura a capacului.

Pentru ca la demontarea bielei sa nu fie nevoie sa se demonteze arborele cotit sau cilindrii, la cele mai multe motoare capul bielei se face astfel incit biela sa poata fi scoasa pe sus, prin cilindru, dupa ce i s-a demontat capacul.

Pentru ca vibratiile motorului sa fie cit mai reduse, si echilibrarea cit mai buna este nevoie ca toate bielele de la acelasi motor sa aibe greutatea egala si aceeasi pozitie a centrului de greutate.

Echilibrarea bielelor se face cintarind, una cite una, piesele setului de biele cu capac cu bucse si luind prin prelucrare, surplusul de material, astfel incit centrul de greutate al fiecareia sa cada in zona admisa.

La motoarele in " V " bielele de la doua pistoane se racordeaza cu capetele in acelasi lagar al arborelui cotit.

Solutiile de lagare ale celor doua biele sint diferite de la motor la motor.

Cea mai raspindita solutie este cea in care doua biele identice lucreaza alaturat pe acelasi maneton. Avantajul acestei constructii este ca bielele sint identice pentru toti cilindrii motorului, dar au in schimb dezavantajul ca cele doua rinduri de cilindri in " V " trebuie sa fie deplasate unul fata de celalalt, in sens longitudinal.

O varianta a acestei solutii se numeste : "Cu biele centrate" - si permite ca cilindrii unui motor in " V " sa fie in acelasi plan.

bifurcata interioara

-) Ambielaj in furca

In varianta din figura , una din biele se executa cu capul in forma de furca cu doua capace. Aceasta biela bifurcata, permite ca intre bratele furcii sa se monteze cea de a doua biela, de forma obisnuita dar subtire (biela interioara).

Dezavantajul acestei constructii este complexitatea mare si rigiditatea mica a bielei bifurcate.

O alta varianta de realizare a legaturilor intre bielele unui motor in " V " este ambielajul articulat.

Biela principala (mama)

Biela secundara (bieleta)

-) Ambielaj articulat

Aceasta constructie comporta o biela principala (mama) care actioneaza direct pe manetonul arborelui cotit si o biela secundara (bieleta), care actioneaza asupra bielei principale prin intermediul unui bolt, fixat in urechile special construite in biela principala.

Prin canalele de ungere, acest bolt primeste ulei de la lagarul bielei principale.

Dezavantajul acestui ambielaj este ca fortele transmise prin bieleta provoaca incovoierea tijei bielei principale si solicita suplimentar pistonul si peretii cilindrului acestuia din urma, iar la cele doua rinduri de cilindri (stinga si dreapta) se obtin curse diferite.

In cazul bielelor articulate, asamblarea bielei cu biela principala, se poate face cu un bolt fixat in biela sau bolt fixat in bieleta.

Biela se fabrica din oteluri de imbunatatire; otel carbon de calitate.

Semifabricatul se realizeaza prin matritare, care este urmata de un tratament termic (normalizare, apoi imbunatatire).

Pentru ridicarea rezistentei la oboseala bielele cu solicitari mari se frezeaza pe toata suprafata exterioara si uneori se rectifica.

Este stiut ca biela este piesa care provoaca cele mai grave avarii, atunci cind se rupe in timpul functionarii motorului. De aceea, o grija deosebita trebuie acordata calitatii suprafetelor bielei , atit a celor rezultate din matritare cit si a celor obtinute prin prelucrare mecanica, mai ales in treimea superioara.

De asemenea trebuie controlata cu toata strictetea calitatea materialului si structura obtinuta prin ultimul tratament termic de imbunatatire dupa forjare.

Suruburile de biela - se executa din oteluri aliate pentru imbunatatire.

Bucsele - care se preseaza in interiorul piciorului, se obtin din bronzuri cu rezistenta ridicata la uzura si la rupere: bronzuri cu zinc, staniu si plumb (Ex. 4-6 % Zn; 4-6 % Sn; 4-6 % Pb restul Cu) ; bronzuri cu aluminiu - fier, sau bronzuri cu staniu si fosfor.

ROLUL FUNCTIONAL

Biela este organul mecanismului motor care transmite forta de presiune a gazelor (componenta longitudinala) de la piston (capul de cruce) la arborele cotit si care asigura transformarea miscarii alternative de translatie a pistonului in miscarea de rotatie a arborelui cotit. La motoarele rapide si semirapide, biela asigura si conducerea uleiului la piston.

CONSTRUCTIA BIELEI (Fig. 37)

Biela este compusa din trei parti:

a)      piciorul bielei - partea articulata

cu boltul (traversa capului de cruce);

b)      capul bielei - partea articulata cu

fusul maneton al arborelui cotit;

c)      corpul bielei - partea centrala

a bielei.

Constructia piciorului bielei

Piciorul bielei are forma unui tub. Daca ungerea se face prin stropire, se practica un orificiu sau o taietura in partea superioara a piciorului (fig. 38.). Daca uleiul este adus sub presiune, se practica un canal in corpul bielei. Daca este necesar sa se asigure racirea simpla a capului pistonului, prin jeturi de ulei, se prelungeste canalul pana la extremitatea superioara si se prevede la capatul sau cu un pulverizator.

Fig. 37.

In interiorul piciorului se preseaza o bucsa din bronz, aluminiu, cupru sau alt material antifrictiune, numita cuzinet. Cuzinetul poate fi realizat dintr-o singura bucata sau sectionat. Este prevazut cu dispozitive de asigurare impotriva deplasarii axiale sau rotirii sale in piciorul bielei. In cuzinet este prevazut un canal inelar pentru dirijarea uleiului. La motoarele navale de puteri mici, piciorul poate fi confectionat din doua piese.

Fig. 38.

Constructia corpului bielei

Solicitarea corpului bielei la flambaj este posibila in doua planuri ale bielei (fig. 39. a): in planul de miscare (planul de oscilatie) si intr-un plan normal, in care biela se considera incastrata (planul de incastrare). Solicitarea la flambaj este de 4 ori mai mare in planul de oscilatie fata de cel de incastrare. Ca urmare, sectiunea corpului bielei trebuie sa asigure un moment de inertie de 4 ori mai mare in planul de oscilatie fata de planul de incastrare, utilizandu-se cel mai adesea sectiunea dublu T (fig. 39. b). Se mai utilizeaza sectiunea circulara (mai simpla din punct de vedere constructiv), dar numai la motoarele lente, dar de puteri mari.

Constructia capului bielei

Capul bielei trebuie sa satisfaca mai Fig. 39.

multe cerinte:

a)      sa aiba rigiditate superioara, conditionata de functionarea normala a cuzinetului;

b)      sa aiba o masa redusa (forte de inertie mici);

c)      sa aiba dimensiuni reduse (determina forma carterului si face posibila trecerea bielei prin cilindru la demontare-montare);

d)     sa aiba o racordare larga cu corpul, pentru a atenua efectul de concentrare a tensiunilor.

Capul bielei este sectionat, capacul separandu-se de partea superioara a capului dupa un plan normal la axa bielei (fig. 40. a) sau dupa un plan oblic (fig. 40. b), inclinat de obicei la 45⁰, mai rar la 30 sau 60⁰.

La motoarele de puteri mari, poate exista si posibilitatea de reglare a lungimii bielei si, implicit, a raportului de comprimare si a volumului camerei de ardere (fig. 40. a). Fig. 40.

Muchiile ascutite din partea superioara a capului duc la ruperi (fig. 2.28.a). De aceea, in aceasta regiune se utilizeaza racordari largi (fig. 41. b) sau degajari (fig. 41. c).

Capacul bielei se rigidizeaza prin nervuri care sporesc insa masa bielei si dificultatile de fabricatie. De asemenea, in partea superioara a capului poate fi practicat un

Fig. 41.

orificiu prin care uleiul este proiectat de forta centrifuga.

La motoarele cu cilindrii dispusi in V, daca bielele care lucreaza pe acelasi maneton sunt alaturate (fig. 42. a), capul lor este identic. In cazul ambielajului in furca (fig. 42. b), una dintre biele are capul in furca, iar cealalta are capul normal. Ambele biele lucreaza asupra aceleiasi bucse. In cazul ambielajului articulat (fig. 42. c), biela secundara (bieleta) transmite miscarea bielei principale (bielei mama) prin intermediul unui bolt.    Fig. 42.

Suruburile de biela se utilizeaza in numar de 2, 4 sau 6. Ele se prind cu piulite pe partea superioara a capacului, pentru o mai buna accesibilitate, si se asigura impotriva rotirii.

Cuzinetii se executa din otel cu continut redus de carbon sau din aliaje de bronz, pe suprafata lor interioara aplicandu-se un strat de material antifrictiune. Montarea lor se face cu strangere, ceea ce asigura un contact mai bun cu capul bielei si implicit, o mai buna evacuare a caldurii.

SOLICITARILE BIELEI

Biela este solicitata de forta de presiune a gazelor la comprimare si flambaj. Forta de inertie a grupului piston solicita biela la intindere si comprimare. Marimea variabila a sarcinii aplicate bielei impune acesteia o conditie fundamentala: sa posede o rezistenta mecanica superioara.

Sub actiunea acestor forte, partile componente ale bielei se deformeaza diferit. Forta de presiune produce in corpul bielei o deformatie permanenta care, micsorand distanta dintre axele piciorului si capului bielei (fig. 43. a), impiedica miscarea libera. Sub actiunea aceleiasi forte, corpul bielei se deformeazs astfel incat se modifica paralelismul axelor (fig. 43. b), ceea ce constituie cauza principala a Fig. 43.

uzurii lagarelor si a slabirii asamblarii pieselor din mecanismul motor. Sub actiunea fortelor de inertie, piciorul si capul bielei se ovalizeaza (fig. 43. c), ceea ce creeaza pericolul de gripaj. Fortele tangentiale de inertie produc solicitarea de incovoiere a corpului (fig. 43. d). Incovoierea bielei poate aparea si din cauza dispozitiei excentrice a fortei de compresiune, determinata de jocul radial dintre bolt si bucsa. Deformarea bielei fiind cauza principala a micsorarii fiabilitatii ei si mai ales a organelor conjugate, se impune o a doua cerinta fundamentala: biela sa posede o rigiditate superioara.

Din punct de vedere functional, o deosebita importanta o prezinta lungimea bielei. Bielele lungi conduc la forte normale mai reduse, deci la micsorarea frecarii dintre piston si cilindru. Solutia conduce in schimb la marirea inaltimii motorului, la cresterea masei acesteia si la

reducerea rigiditatii bielei. La reducerea lungimii bielei se obtine o biela cu rigiditate sporita, la care solicitarile de flambaj sunt practic neinsemnate.

Dezvoltand forte mari de inertie, biela creeaza solicitari mari in lagare, de unde rezulta si necesitatea unor mase cat mai reduse ale acesteia. Dupa fabricatie, masa bielei variaza in limite largi ( 5%). Pentru echilibrare se cere ca abaterea sa fie sub 1%. De aceea, la piciorul si la capul bielei se prevad zone ingrosate, din care se elimina material pentru corectarea masei.

MATERIALE DE FABRICATIE

Bielele se confectioneaza din:

a)      otel carbon de calitate;

b)      otel aliat cu elemente de aliere: Cr, Mn, Mo, Ni, V;

c)      aliaj usor (duraluminiu) - numai la motoarele de puteri mici;

d)     fonta cu grafit nodular.

Bielele din oteluri aliate se lustruiesc, fiind foarte sensibile la concentrarea de tensiuni. O metoda mai eficienta de ridicare a rezistentei la oboseala o constituie ecruisarea (durificarea bielelor cu alice).

Suruburile de biela se executa din oteluri aliate pentru imbunatatire. Materialele de constructie ale cuzinetilor piciorului si capului au fost mentionate in paragrafele anterioare.

La motoarele moderne, cuzinetii de la capul bielei sint realizati din banda subtire de otel, pe care se aplica aliajul antifrictiune.

Bronzurile cu plumb ofera avantajele rezistentei superioare la uzura la presiuni si temperaturi de lucru ridicate, precum si a rezistentei ridicate la oboseala, avantaje care impun folosirea lor pentru manetoanele cu incarcari si viteze ridicate ( M.A.S.-uri; M.A.C.-uri rapide).

Cuzinetii cu bronz de plumb pretind in orice caz o rigiditate sporita a fusurilor manetoane si palier, ale arborelui, abateri mai reduse de forma si pozitie (forma fusurilor manetoane, coaxialitatea fusurilor paliere etc.).

O alta categorie importanta de aliaje antifrictiune folosite pentru cuzinetii bielelor o formeaza aliajele de aluminiu caracterizate printr-o buna rezistenta la uzura si oboseala.