I. NOTIUNI GENERALE I.1. PROCESE DE PRODUCTIE, PROCESE TEHNOLOGICE Şl ELEMENTELE LOR COMPONENTE
Procesul de producţie al unei uzine constructoare de maşini cuprinde
în sine obţinerea semifabricatelor (prin turnare, forjare sau debitare din laminate), toate formele de prelucrare a lor (prelucrarea mecanică, termică, chimică, electrică etc), controlul tehnic al dimensiunilor şi al calităţii în toate stadiile de producţie, transportul materialelor, semifabricatelor, pieselor şi produselor, asamblarea, vopsirea, împachetarea şi expedierea produselor. Procesul tehnologic tehnologic de prelucrare prelucrare mecanică mecanică este acea parte a
procesului de producţie, care este legată nemijlocit de schimbarea formei geometrice, a dimensiunilor, a calităţilor fizico-mecanice, a calităţii suprafeţei până la obţinerea piesei finite. În procesul tehnologic de prelucrare mecanică sînt incluse şi o serie de acţiuni auxiliare legate nemijlocit, sau care numai însoţesc schimbarea formei geometrice, a dimensiunilor, a calităţilor fizico-mecanice, a calităţii su-prafeţei piesei supuse prelucrării, ca de exemplu: aşezarea şi fixarea piesei pe maşină, controlul tehnic, curăţirea piesei şi a dispozitivului şi într-o serie de cazuri şi transportul piesei. În timp timpul ul aces acesto torr acţi acţiun unii au auxi xili liare are nu are are loc loc schi schimb mbar area ea form formei ei geometrice, a dimensiunilor şi nici a rugozităţii piesei, însă întrucît aceste achiini auxiliare sînt îndeplinite de către muncitorul care lucrează la locul res pectiv de muncă, ele fac parte din procesul tehnologic de prelucrare. Transportul piesei prin atelier făcut de către muncitorii auxiliari sau automat, cu diverse sisteme de transportare, nu intră in procesul tehnologic de prelucrare, prelucrare, întrucît în acest timp muncitorul productiv lucrează la locul său de 1
muncă. In mod analog, procesul tehnologic de asamblare reprezintă o parte a procesului de producţie, legată nemijlocit de asamblarea pieselor în grupe, subansamble, ansamble şi apoi în produsul respectiv (automobil, tractor, maţină unealtă etc). Pe n t r u a se pu pute teaa fac face asam samblar blarea ea pies piesel elor or în prod rodus est este de asemenea necesar a se executa o serie de acţiuni auxiliare, legate nemijlocit de proce procesul sul de de asam asambl blar are. e. Procesul tehnologic (de prelucrare şi de asamblare) se execută la diferite locuri de muncă. Locul de muncă este acea parte din suprafaţa de producţie care este
utilată cu utilajul corespunzător lucrului ce se efectuează pe el. Elementele componente ale procesului tehnologic sînt următoarele: Operaţia este acea parte a procesului tehnologic care se execută la
un loc de muncă şi cuprinde toate acţiunile utilajului şi muncitorului sau ale unui grup de muncitori, în legătură cu prelucrarea sau asamblarea unei piese sau a mai multor multor piese simultan, simultan, pînă ce se trece la prelucrarea prelucrarea sau asamblaasamblarca altei sau altor piese. Operaţia se poate executa dintr-o singură aşezare sau din cîteva aşezări ale piesei în dispozitiv sau pe masa maşinii.în cazul exemplului dat,
atunci cînd arborele se centruieşte pe rînd-la cele două capete cu acelaşi regim de aşchiere, operaţia este formată din două aşezări. Cînd arborele se centruieşte la ambele capete simultan pe o maşină specială, operaţia este constituită dintr-o singură aşezare. Piesa fixată în dispozitiv poate fi prelucrată în una sau mai multe poziţii faţă de scula sau sculele cu care se face prelucrarea prelucrarea ei. O operaţie poate fi constituită de asemenea din una sau mai multe faze. Faza este acea parte a operaţiei în care se execută complet dintr-o
singură singură aşezare aşezare şi poziţie a piesei piesei o suprafaţă sau mai multe suprafeţe suprafeţe simulsimul2
muncă. In mod analog, procesul tehnologic de asamblare reprezintă o parte a procesului de producţie, legată nemijlocit de asamblarea pieselor în grupe, subansamble, ansamble şi apoi în produsul respectiv (automobil, tractor, maţină unealtă etc). Pe n t r u a se pu pute teaa fac face asam samblar blarea ea pies piesel elor or în prod rodus est este de asemenea necesar a se executa o serie de acţiuni auxiliare, legate nemijlocit de proce procesul sul de de asam asambl blar are. e. Procesul tehnologic (de prelucrare şi de asamblare) se execută la diferite locuri de muncă. Locul de muncă este acea parte din suprafaţa de producţie care este
utilată cu utilajul corespunzător lucrului ce se efectuează pe el. Elementele componente ale procesului tehnologic sînt următoarele: Operaţia este acea parte a procesului tehnologic care se execută la
un loc de muncă şi cuprinde toate acţiunile utilajului şi muncitorului sau ale unui grup de muncitori, în legătură cu prelucrarea sau asamblarea unei piese sau a mai multor multor piese simultan, simultan, pînă ce se trece la prelucrarea prelucrarea sau asamblaasamblarca altei sau altor piese. Operaţia se poate executa dintr-o singură aşezare sau din cîteva aşezări ale piesei în dispozitiv sau pe masa maşinii.în cazul exemplului dat,
atunci cînd arborele se centruieşte pe rînd-la cele două capete cu acelaşi regim de aşchiere, operaţia este formată din două aşezări. Cînd arborele se centruieşte la ambele capete simultan pe o maşină specială, operaţia este constituită dintr-o singură aşezare. Piesa fixată în dispozitiv poate fi prelucrată în una sau mai multe poziţii faţă de scula sau sculele cu care se face prelucrarea prelucrarea ei. O operaţie poate fi constituită de asemenea din una sau mai multe faze. Faza este acea parte a operaţiei în care se execută complet dintr-o
singură singură aşezare aşezare şi poziţie a piesei piesei o suprafaţă sau mai multe suprafeţe suprafeţe simulsimul2
tan, cu o sculă sau cu un complet de scule, cu un anumit regim de aşchiere. Ada daos osul ul de prel preluc ucra rare re ce treb trebui uiee înde îndepă părt rtat at într într-o -o fază fază de pe suprafa suprafaţa ţa sau supraf suprafeţe eţele le piesei piesei (dacă (dacă se preluc prelucreaz reazăă simult simultan an ma maii multe multe suprafeţe ale piesei) poate fi îndepărtat dintr-o singură trecere sau din mai multe treceri.
La fiec fiecar aree trec trecer eree a scul sculel elor or cu care care se face face prel preluc ucra rare reaa de pe sup suprafa rafaţa ţa sau sau supr supraf afeţ eţel elee ce se prel preluc ucre reaz ază, ă, în sens sensul ul av avan ansu sullui, ui, se îndepărtează cîte un strat de material. Toate trecerile se execută cu acelaşi regim de aşchiere.
Dacă o trecere se execută cu alt regim de aşchiere atunci trecerea devine fază. Faza şi trecerea la rândul lor sunt formate din una sau mai multe mimuri. Mânui Mânuirea rea reprez reprezint intăă totali totalitat tatea ea mişcă mişcăril rilor or efectu efectuate ate de mun muncit citor or in
timpul desfăşurării lucrului sau de pregătirea lui. Mânuirile sînt acţiuni auxiliare pentru aşezarea şi fixarea piesei pe maşi ma şină nă sau sau disp dispoz ozit itiv iv,, pe pent ntru ru ap apro ropi piere ereaa scul sculei ei de pies piesă, ă, pe pent ntru ru po porn rnir irea ea motorului şi cuplarea avansurilor, precum si cele executate după prelucrarea piesei. Mişcarea Mişcarea este partea cea mai mică dintr-o mânuire, care poate fi
măsurată în timp. Pentr Pentruu efectu efectuare areaa fiecăre fiecăreii acţiun acţiunii (opera (operaţie ţie,, fază, fază, trecer trecere, e, mâ mânui nuire, re, mişcare) se consumă o cantitate de muncă din partea muncitorului. Consumul de muncă se măsoară în timp. Timpul consumat de muncitor pentru executarea unui proces tehnologic se numeşte volum de muncă. Există volum de muncă efectiv, înţelegînd prin acesta timpul real consumat pentru efectuarea lucrului şi volum de muncă calculat sau normat, acesta reprezentînd timpul în care trebuie să se execute lucrul respectiv. Unitatea de măsură a volumului de muncă se numeşte om - oră. 3
O maşină şină-u -unnealt ealtăă sau sau un util utilaj aj oa oare reca care re sunt sunt oc ocup upat atee pe pent ntru ru prelucrarea piesei un anumit timp. Pentru calculul timpului necesar efectuării atm-mitor prelucrări şi pentru calculul numărului de maşini-unelte necesar prelucrării unei piesa la toate operaţiile, se foloseşte noţiunea de volum de maşină.
Volum de maşină se numeşte timpul în decursul căruia maşina-unealtă
sau maşinile-unelte sunt ocupate sau trebuie să fie ocupate pentru prelucrarea unei piese la o operaţie sau la toate operaţiile. Există deci, volum de maşină pe operaţii, volum de maşină pe piesă şi volum de maşină pe produs. Volumul de maşină poate fi efectiv sau calculat. Unitatea de măsură a volumului de maşină este de obicei maşină-unealtă-oră. Pentru Pentru normarea normarea muncii muncii şi planificare planificareaa producţiei producţiei se foloseşte foloseşte norma norma tehnică de timp. Fiecare operaţie sau proces tehnologic de prelucrare a unei piese sau a produsului întreg se execută într-un anumit timp calendaristic. Inte Interv rval alul ul de timp timp mă măsu sura ratt de la înc ncep eput utul ul şi pâ până nă la sfâr sfârşi şitu tull prelucrării piesei la o operaţie sau la toate operaţiile (care după anumite intervale de timp se repetă) se numeşte ciclu. Această noţiune se foloseşte în producţia de serie şi de masă. Dacă operaţiile operaţiile sau procesele tehnologice tehnologice se mai repetă repetă după anumite intervale de timp, intervalul de timp măsurat de la începutul şi până la sfârşitul prelucrării piesei la o operaţie sau la toate operaţiile se numeşte durata operaţiei sau a procesului tehnologic (această noţiune, deci, se foloseşte în producţia individuală sau de unicate). Diferitele
produse
sau
piese
din
produsele
respective
se
confecţione confecţionează ază în diferite diferite cantităţi cantităţi în unitatea unitatea de timp, timp, care care poate poate fi anul, trimestrul sau luna. 4
Cantitate Cantitateaa respectivă respectivă de produse produse s a u p i e s e se numeşte numeşte program sau producţie pe durata corespunzătoare. corespunzătoare.
Cantitatea de produse, piese sau semifabricate care se confecţionează după un desen care nu se modifică, defineşte mărimea seriei. Dacă se trece la o construcţie nouă a aceluiaşi produs (tractor, autocamion, strung etc), etc), piesă semifabricat, şi se schimbă desenul, desenul, atunci se schimbă şi numărul sau iniţialele seriei. Ritmul Ritmul sau tactul de fabricaţie sau de livrare reprezintă intervalul de
timp, după care periodic are loc livrarea unui produs, piese sau semifabricat, de la o linie tehnologică, dintr-un atelier, secţie sau întreprindere. Dacă se obtine, de exemplu, că ritmul sau tactul de fabricaţie sau de livrare a unui tractor este de 5 minu nute te,, asta sta însea nseam mnă nă,, că dup upăă fieca iecare re 5 minut inutee la capă capăttul li ni ei tehnologice de asamblare generală iese un tractor gata pentru livrare. Cantitatea de piese de acelaşi fel lansată odată în lucru la un loc de muncă sau pe o linie tehnologică se numeşte lot. Mărimea lotului de piese se determină prin calcul.
I.2. TIPURILE DE PRODUCŢIE ÎN CONSTRUCŢIA DE MAŞINI În industria constructoare de maşini există trei tipuri de producţii şi anume: −
producţie de masă;
−
producţie de serie:
−
producţie individuală sau de unicate. unicate.
In producţia de masă produsele se execută în mod continuu, în canti-
tăţi relativ mari şi într-o perioadă lungă de timp (de obicei de cîţiva ani). O caracteristică caracteristică principală principală a producţiei producţiei de masă o constitui constituiee nu canticantitatea de produse livrate, ci efectuarea la majoritatea locurilor de muncă a aceloraşi operaţii cu repetare continuă. 5
Producţia fabricaţiei de masă constă din produse de aceeaşi natură (unele standardizate), tipuri stabilizate de largă utilizare. O astfel de producţie este de exemplu, producţia de automobile, tractoare, motoare electrice, rulmenţi etc. In producţia de serie se execută serii de produse şi loturi de piese, care
se repetă cu regularitate după anumite şi bine stabilite perioade de timp. Producţia de serie este o producţie cu nomenclatură multiplă. O caracteristică principală a producţiei de serie o constituie repetarea periodică a executării aceloraşi operaţii la majoritatea locurilor de muncă.
Produsele acestui tip de producţie sînt maşini de tipuri stabilizate, fabricate în cantităţi mai mari sau mai' mici, ca de exemplu: maşini-unelte, motoare staţionare cu ardere internă, pompe, compresoare, utilaje pentru industria alimentara etc. In producţia individuală sau de unicate se execută produse într-o nomenclatură foarte variată în cantităţi mici, în majoritate unicate. Datorita acestui fapt producţia individuală trebuie să fie universală şi foarte elastică, pentru a putea executa nomenclatura largă şi foarte variată de produse. Produsele executate în acest tip de producţie fie că nu se mai repetă, fie că se repetă după intervale de timp neprevăzute . Caracteristica principala a producţiei individuale o constituie executarea la locurile de munca a unei foarte variate game de operaţii diferite fără o repetare periodică a lor. Produsele acestui tip de producţie sunt maşini care nu au o utilizare largă, executate pe comenzi speciale. Producţia individuală este proprie industriei constructoare de maşini grele, ale cărei produse sunt hidroturbine mari, maşiniunelte grele unicate, utilaje metalurgice etc. Divizarea uzinelor constructoare de maşini după tipuri de producţii este convenţională. 6
Într-o serie de cazuri, în uzinele cu producţie de masă, în anumite secţii lucrul se desfăşoară în serie. Astfel, în paralel cu asamblarea generală a maşinii şi a ansamblelor care necesită un volum mare de muncă se desfăşoară şi asamblarea în serie a ansamblelor care necesită un volum mai mic de munca. Prelucrarea mecanică a pieselor mai simple se face de asemenea, în serie. În atelierele de presare la rece a tablelor, în atelierele de forjă a între prinderilor cu producţia de masă, datorită productivităţii foarte mari a utilajelor pentru aceste prelucrări, lucrul se desfăşoară pe principiile producţiei de serie. Se poate deci numi producţie de masă, producţia acelei întreprinderi în care la majoritatea locurilor de muncă se execută în mod constant succesiv aceeaşi operaţie, iar locurile de muncă sunt dispuse în ordinea succesiunii, desfăşurării procesului tehnologic. Dacă însă la majoritatea locurilor de muncă se execută câteva operaţii care se repetă periodic, atunci producţia acelei întreprinderi este o producţie de serie. Dacă în repetarea executării operaţiilor la locurile de muncă nu există o periodicitate planificată, atunci producţia întreprinderii respective este individuală sau de unicate. Producţia de serie, în funcţie de caracteristica ei principală, în unele cazuri se poate apropia de producţia de masă, cînd se numeşte producţie de serie mare , sau se poate apropia de producţia individuală, cînd se numeşte producţie de serie mică.
7
II. B I E L A
Biela este organul intermediar care face legătura între două piese cu mişcări diferite: pistonul care are o mişcare rectilinie şi manetonul respectiv de pe arborele cotit care are o mişcare circulară. Mişcările pe care le execută biela în timpul funcţionării sunt destul de complicate şi nu sunt aceleaşi pentru toate punctele ei. Centrul lagărului bielei descrie un cerc, iar bolţul o linie dreaptă, însă nici un punct material al bielei nu parcurge un drum circular sau drept, ci toate punctele de pe bielă descriu diferite curbe închise. Părţile principale ale bielei sînt:
−
−
capătul mic (superior);
−
corpul sau tija;
capătul mare (inferior), conţinînd lagărul cu capacul, butoanele şi
piuliţele respective în cazul bielelor deschise. Denumirile clasice ca picior de bielă şi cap de bielă, nu pot fi folosite în practică, deoarece nu corespund cu poziţia pe care o are biela la motorul de automobil. Prin picior se înţelege partea în care stă bolţul, iar capul era partea care cuprinde lagărul. Această nomenclatură s-a aplicat iniţial la maşinile cu abur, locomotive, motoare stabile etc, la care de obicei bielele sunt aşezate în poziţie orizontală. Insă la automobil, unde bielele sunt verticale, cu capul în jos şi cu piciorul în sus s-ar produce desigur confuzii între aceşti termeni, de aceea este mai practic a se spune „capăt mare" la partea care conţine lagărul şi „capăt mic" la partea unde stă bolţul. Solicitările la care este supusă biela sunt de mai multe feluri, şi anume: - compresie - de către forţele datorite exploziei în regiunea PMS şi de către forţele de inerţie ale pieselor cu mişcare alternativă, în poziţiile din zona 8
PMI; - tracţiune - de către forţele de inerţie ale pieselor cu mişcare alternativă în zona PMS; - încovoiere - datorită forţelor de inerţie ale mişcării alternative oscilante a corpului bielei şi diferenţelor de aliniere în timpul solicitărilor; - flambaj (îndoire cînd compresiile sunt excesive). Avînd în vedere vitezele mari cu care se mişcă o bielă, cum şi schimbările bruşte ale sensului de mişcare, este necesar ca orice bielă de motor de automobil să fie cât mai uşoară. Capătul mic suferă aceleaşi variaţii de viteză ca şi pistonul. La un motor care are cursa pistonului de 100 mm, viteza maximă a acestui capăt la turaţia de 5 000 rot/min este 27m/s sau 95km/h Deci, capătul mic al bielei, pe un drum de 5 cm, trece de la viteza de 100 km/h la viteza 0 şi apoi porneşte înapoi, atingînd iar viteza de 100 km/h în scurtul drum de 5 cm şi repetînd mereu aceste schimbări de viteză. Oprirea de la viteza de 100 km/h la 0 se face în timpul foarte scurt de 0,003 s (trei rnii de secundă). In acest timp, capătul mare se învîrteşte circular însă uniform, cu viteze şi mai mari. Să calculăm viteza circulară maximă a unui şurub de bielă (de la exterior) în cazul de mai sus, presupunînd că manetonul respectiv are diametrul de 50 mm şi că de la suprafaţa manetonului până la şurub mai sunt încă 10 mm. Raza lui de rotaţie va fi: R = 100/2+50/2 +10=85 mm. Lungimea circumferinţei =2
X
πX
R=2
X
3,14
X
85=0,53 m. Turaţia
de 5000 rot/min = 833 rot/s, deci 833x0,53 = 44,5 m/s, sau 160 km/h; adică, în exemplul luat, partea respectivă a bielei poate avea o viteză mai mare decît viteza cu care se deplasează automobilul. 9
La viteze circulare atât de mari, forţele centrifuge sunt foarte mari, astfel, este uşor de înţeles pentru ce greutatea bielei trebuie să fie minimă. Caracteristicile principale ale unei biele sînt: - lungimea L; - greutatea; - diametrul locaşului pentru lagăr; - diametrul ochiului pentru bucşa bolţului; - lăţimea locaşului de lagăr; - lăţimea ochiului pentru bucşa bolţului. Forma bielei variază atât ca dimensiuni, cât şi ca execuţie. Capătul mic poate avea diferite forme. În ce priveşte corpul, majoritatea motoarelor de automobil au biele cu secţiunea în dublu T. Rareori se întâlnesc biele tubulare cu secţiunea circulară sau ovală. Aproape totdeauna tija bielei este mai subţire sus lângă bolţ şi mai groasă jos. Bielele în dublu T sunt mai uşor de fabricat şi prin forma lor, transmit efortul la lagăr pe o bază mai largă. Majoritatea bielelor de automobil sunt „deschise" adică lagărul este compus din două jumătăţi separate, dintre care una face corp comun cu tija bielei, iar cealaltă demontabilă, este capacul bielei sau capacul de lagăr. La unele motoare (de sport sau de motocicletă), care au lagăre cu rulmenţi, se folosesc biele „închise" sau inelare; lagărul nu este demontabil, fiind executat dintr-o singură bucată. Astfel de biele se pot scoate prin demontarea arborelui cotit. Capacul se fixează în majoritatea cazurilor prin două şuruburi de oţel special. Suma secţiunilor minime ale acestor şuruburi este aproape egală cu suprafaţa secţiunii corpului bielei la mijlocul ei. Capacul se strânge cu piuliţe speciale, lungi, având filet cu pasul mic, cu toleranţe strînse. Şuruburile respective pot fi demontabile sau executate dintr-o bucată 10
cu biela prin forjare. Şuruburile demontabile sunt adeseori executate cu degajare şi cu filet rulat. Bielele care au şuruburi nedemontabile prezintă avantajul că sunt mai uşoare, în schimb ele nu mai pot fi folosite când un şurub s-a rupt, de exemplu prin strângere exagerată. Tot în scopul realizării unor biele cât mai uşoare, aceste şuruburi se plasează foarte aproape de suprafaţa lagărului. Uneori şuruburile sunt atât de aproape de maneton, încât cuzineţii de lagăr au câte o crestătură pentru trecerea lor. Foarte rar se găsesc biele la care capacul este strâns cu patru şuruburi. Acestea se folosesc în special la motoare mari, unde capacitatea unui cilindru depăşeşte 1 000 cm3. Capacul de bielă şi şuruburile respective sunt supuse la solicitări mari. La turaţii înalte, forţele de inerţie în zona PMS, create de piston şi de bielă, sînt preluate de şuruburile şi de capacul bielei. Fiecare frânare şi accelerare a pistonului în apropierea PMS se traduce prin efecte de smulgere a capacului cu forţe care depăşesc uneori 1 000 kg. In vederea acestor solicitări mari, majoritatea capacelor sunt înzestrate cu nervuri exterioare, pentru întărire. Cele mai multe capace au o singură nervură la mijloc, altele au două nervuri în părţile laterale. S-au constatat cazuri de încovoiere a capacelor de bielă din cauza nervurilor insuficiente la unele automobile, ale căror motoare au fost menţinute la turaţie înaltă. Fixarea capacului pe bielă într-o poziţie precisă şi fără joc este foarte importantă. Jocurile corecte la lagăr sunt de câteva sutimi de milimetru; deci este absolut necesar ca poziţia capacului să nu se poată schimba între două demontări. În acest scop, găurile capacului se fac cu o toleranţă strânsă faţă de şuruburile respective. La majoritatea bielelor, capacele nu se pot apropia sau depărta decât bătând uşor cu coada ciocanului. Mai rar, asigurarea poziţiei capacului se face prin praguri sau ştifturi între bielă şi capac. 11
In scopul unei asamblări cât mai rigide, suprafeţele de strângere ale capacului trebuie să fie perfect plane, atât la bielă, cît şi la capac. La unele motoare de construcţie veche, se găsesc între aceste suprafeţe câteva mici distanţiere, de tablă de alamă, de 0,1 şi 0,2 mm, în vederea unor ajustări rapide ale lagărelor. La motoarele înzestrate cu lagăre de bielă demontabile, denumite cuzineţi, pe suprafeţele de strângere se află câte o mică scobitură, unde se fixează pragurile sau pintenii cuzineţilor, care îi împiedică să se deplaseze. In legătură cu modul de ungere, se deosebesc: −
capace cu linguriţă pentru barbotaj;
−
capace fără linguriţă;
−
biele cu conductă;
−
biele fără conductă. Sistemul de ungere al lagărelor de bielă prin barbotaj este astăzi
aproape complet părăsit; de aceea, capacele cu linguriţe se întâlnese numai la unele motoare vechi. Bielele fără conductă şi cu capac fără linguriţă au o întrebuinţare tot mai mare, ungerea făcându-se sub presiune numai pentru lagăr, dar nu şi pentru bolţ. Biele cu conductă şi cu capac cu linguriţă nu există. Tot în legătură cu particularităţile de ungere se mai pot găsi la bielă o serie de orificii şi anume: deasupra bolţului şi deasupra lagărului. Orificiile de deasupra bolţului au rolul de a capta o parte din picăturile de ulei ce cad de pe fundul pistonului pentru ungerea bucşei şi a bolţului. Spre a putea prinde cît mai multe picături, aceste orificii au o formă conică. Orificiile de deasupra lagărului sunt de mai multe feluri: pentru ungerea cilindrului respectiv, pentru a contribui la ungerea bolţului şi pentru a unge cilindrul opus (la motoarele în V). Cilindrii se ung prin stropii de ulei care scapă pe lângă lagăre şi paliere. 12
Aceşti stropi urmează traiectorii apropiate de forma spirală, având acelaşi sens de învârtire ca al arborelui cotit; rezultă că partea din dreapta a cilindrilor este stropită mai abundent decât partea din stânga (privind de la manivelă). In primele minute după o pornire la rece, din cauza viscozităţii uleiului rece, această ungere prin stropi de ulei este aproape inexistentă. Pentru a remedia acest dezavantaj, unele biele sunt prevăzute cu orificii E de circa 2 mm în partea de sus a lagărului, în apropierea zonei de legătură cu tija. La unele biele există un astfel de orificiu numai în partea stângă, spre a unge zona cilindrului care primeşte mai puţini stropi de ulei. La acestea, direcţia orificiului este înclinată mult faţă de corpul bielei. La altele se găsesc două orificii de fiecare parte a bazei tijei. Când ele sunt dirijate drept în sus, paralel cu corpul bielei, rolul lor este dublu: ungerea cilindrului şi a bolţului în primele minute, după o pornire la rece. La unele motoare în V, aceste orificii sunt îndreptate aproape perpendicular pe bielă, având rolul de a stropi, după pornire, cilindrul de alături. Biele asimetrice.
La unele motoare, în scopul de a realiza in bloc cât mai scurt, bielele au o formă asimetrică. In unele cazuri este dezaxat capătul mic faţă de tija bielei, iar în alte cazuri, tija este dezaxată faţă de capătul mare. Desigur că la aceste biele, încărcarea nu va fi egală pe toată suprafaţa lagărului. În practică, astfel de biele nu au cauzat defecte grave. Totuşi, s-a observat că după ce motorul a ajuns la un grad înaintat de uzură bielele asimetrice tind să se încline. Acest lucru se observă la demontare, deoarece adeseori se constată că bielele au frecat de piston spre partea F unde încărcarea lagărului este mai pronunţată. In concluzie, rezultă că sunt de preferat bielele simetrice faţă de cele asimetrice. 13
Lungimea bielei
Prin „lungimea bielei" se înţelege nu lungimea ei totală, ci distanţa dintre centrul lagărului şi centrul bolţului. Pentru efectuarea acestei măsurări se va utiliza un şubler mare cu care se vor măsura diametrele D la lagăr şi d la bolţ. De exemplu: D = 50 mm si d = 24 mm se va face semisuma lor (50 + 24) / 2 = 74/2 = 37 mm, apoi se va măsura cu şublerul distanţa cea mai mică dintre ochiuri, de exemplu 135 mm. Lungimea L a acestei biele este de: L=435+37=172 mm. Lungimea L a bielei este, în general, proporţională cu cursa S a pistonului. In majoritatea cazurilor, raportul dintre L şi S este în jurul valorii L = 2 S. Bielele cele mai scurte au lungimea L=l,5 S, iar cele mai lungi L=2,5 S. Avantajele bielei lungi sînt: − −
frecări mai reduse ale pistonului pe cilindru;
accelerări ale pistonului mai uniforme între PMS şi PMI. Dezavantajele lor sunt:
−
motorul este mai înalt (ceea ce influenţează cantitatea de material şi
preţul); −
fiind mai grele, forţele centrifuge şi forţele de inerţie proprii cresc. La bielele scurte, situaţia este oarecum inversă, adică ele dau
acceleraţii diferite şi presiuni laterale mari, însă sunt mai uşoare şi permit realizarea unor motoare cu greutate şi preţ mai reduse. Diametrul locaşului pentru lagăr este totdeauna mult mai mare decât diametrul pentru bucşa de bolţ, deoarece manetonul are de preluat solicitări mai mari decît bolţul. 14
Când capătul mare al bielei se roteşte cu turaţie ridicată, iau naştere forţe centrifuge foarte mari, care se adaugă la solicitările, transmise de bolţ. Diametrul respectiv al ochiului bielei este cu 4—8 mm mai mare, după grosimea bucşei. Diametrul capătului mare al bielei este de 2—3 ori mai mare decît cel de la capătul opus, adică are faţă de alezajul cilindrului respectiv A, valoarea d=0,5A pînă la 0,8 A.
Lăţimea capetelor bielei are importanţă, deoarece un lagăr durează mai mult, dacă pentru acelaşi diametru el este mai lat. Lăţimea lagărelor este uneori condiţionată de forma şi de lungimea motorului. Există o varietate destul de mare de lăţimi l ale capetelor de bielă. Faţă de diametrul lagărului d, lăţimea l variază între 0,27 şi 0,8 d sau chiar mai mult; există lagăre la care lăţimea este aproape egală cu diametrul lor. Lăţimea capătului mic are o valoare medie de 0,4 A (A fiind alezajul cilindrului). La majoritatea motoarelor moderne, lagărele sunt separate de bielă prin cuzineţi demontabili. Lagăre turnate direct pe bielă se mai întâlnesc numai la motoarele de tip vechi. Foarte rar se mai execută biele din aliaj de aluminiu care calcă direct pe arborele cotit. De asemenea, la motoarele de automobil se construiesc foarte rar lagăre cu rulmenţi. La motoarele cu cilindri în V există biele aşezate câte două pe un maneton. In acest caz pot să stea, fie alături, fie încălecate (cu o bielă în furcă). In primul caz, din cauza decalării bielelor, cei doi cilindri opuşi nu au axele în acelaşi plan, ci la o distanţă care fiind măsurată în lungul motorului este egală cu lăţimea capătului mare al bielei. Unele biele care sunt articulate una cu alta se numesc bielă-mamă şi bieletă; acestea se întâlnesc însă numai la motoare de avion şi la unele motociclete în doi timpi. 15
Un caz special îl prezintă bielele care, deşi au lagăr pe role, sunt totuşi de construcţie deschisă, adică cu capac (motocicletele Zundapp şi altele). La acestea este absolut necesar ca găurile din capac să fie perfect egale cu diametrul şuruburilor din bielă. Alt caz special este cel al bielelor cu capace aşezate oblic. Astfel de biele s-au construit pentru ca să se dea lagărului un diametru mare şi, în acelaşi timp, să se poată scoate biela afară, trăgând-o în sus prin cilindru. La unele biele de acest fel, suprafeţele de prindere ale capacului nu sunt netede, ci au caneluri, în scopul de a realiza o încastrare mai sigură a capacului în poziţia corectă, de a reduce solicitarea la forfecare a şuruburilor şi de a evita ajustarea lagărului totdeauna necorect executată prin pilirea suprafeţelor de prindere. Biele lustruite.
La unele motoare de sport şi aproape la toate motoarele de avion, bielele sunt prelucrate în întregime fiind polizate şi lustruite. Biela este o piesă importantă supusă în timpul funcţionării la mari solicitări alternative. Ruperea unei biele cauzează totdeauna distrugeri grave la motor. Experienţa a dovedit că piesele supuse la solicitări alternative rezistă mult mai bine când suprafeţele lor sunt lustruite. Astfel, o bielă executată din oţel special cu rezistenţa de 100 kgf/mm 2 poate rezista la solicitări de mărime aproape dublă, când suprafaţa ei este perfect lustruită (29 faţă de 52 kgf/mni2). Lustruirea bielei are şi un alt efect favorabil, contribuind la o bună răcire a bielei. O suprafaţă lucioasă şi de culoare deschisă radiază mai multă căldură către exterior şi, în acelaşi timp reflectă radiaţiile de căldură pe care le primeşte, într-o proporţie mai mare decît o suprafaţă aspră şi de culoare închisă. Prin lustruirea bielei se poate realiza, când este cazul, economie de greutate şi de material, putându-se reduce grosimea cu 1—2 mm. La automobilele de serie nu se folosesc biele lustruite, deoarece costul prelucrării este prea ridicat. 16
Bielele nu trebuie să fie lovite cu ciocanul sau să fie aruncate la întâmplare peste alte piese, deoarece o lovire cât de mică le micşorează rezistenţa şi poate să pricinuiască ruperea lor în timpul funcţionării. La multe motoare moderne bielele sunt întărite prin tratament mecanic, cu bombardare cu un jet de alice mici de oţel (ecruisare). Prin acest fel de tratament rezistenţa pieselor supuse la solicitări alternative creşte cu circa 30%.
17
III. MATERIALE SI CONDITII TEHNICE III. 1. MATERIALE Bielele se execută din oţel forjat şi duraluminiu. Cel mai adecvat material pentru bielele de motoare de automobile şi tractoare este oţelul de îmbunătăţire, cu conţinut mediu de carbon (0,35 0,45%). Se utilizează în acest scop oţelul carbon de calitate, mărcile OLC 45 X, OLC 50 X, STAS 880-79, sau oţelurile aliate (crom, mangan, molibden, nichel, vanadiu), mărcile 40 C10, 41 MoCll, 41 VMoC17, STAS 791-79. Şuruburile de bielă se confecţionează din aceleaşi oţeluri aliate de îmbunătăţire. Cu aplicabilitate limitată se încearcă utilizarea fontei maleabile cu structură perlitică şi tratată termic. În cazuri deosebite pentru motoare de mare turaţie bielele se execută din aliaje speciale de aluminiu care sunt mai uşoare însă mult mai scumpe faţă de cele din oţel.
Semifabricate. Semifabricatele pentru bielă se pot executa în două variante: în prima variantă corpul bielei şi capacul se execută independent constituind două piese separate; în a doua variantă corpul şi capacul bielei fac corp comun, orificiul capului bielei are o formă eliptică, urmând ca în cursul procesului tehnologic de prelucrare mecanică, să aibă loc separarea capacului. La fabricaţia în serie mare s-au dezvoltat linii de forjare cu flux continuu în cadrul cărora operaţiile de încărcare-descărcare, transportul prin instalaţia de încălzire, deplasarea materialului între utilajele de forjare şi presare se execută automat. După forjare procesul tehnologic continuă cu operaţii de tratament termic, normalizare urmată de călire şi revenire, după care se execută operaţiile de curăţire şi ecruisare cu alice. După matriţare, corpul bielei nu mai suferă nici o prelucrare în afară de 18
cea necesară indepărtării bavurilor şi şlefuirii racordurilor. Suruburile de biela se confecţioneaza din aceleasi oţeluri aliate de imbunătăţire. Bucşele din piciorul bielei se confecţionează din bronz cu aluminiu, bronz cu plumb sau bronz fosforos care au o buna rezistenţă la uzura şi la oboseală. Bielele de duraluminiu folosite numai rareori până în prezent în fabricaţia normală, prezintă următoarele avantaje: -
sunt cu circa 20% mai uşoare;
-
asigură o răcire mai bună pentru lagăr şi bolţ la turaţii înalte.
În schimb jocul lagărului creşte mult la cald. Bielele turnate din bronz special se folosesc numai la unele motoare mici în doi timpi (pentru bărcile cu motor). Greutatea unei biele depinde de alezajul, de cursa, de turaţia şi de presiunile maxime pe care le supoertă pistonul respectiv. La motoarele de automobile, greutatea bielei creşte proporţional cu alezajul la puterea 2,4. Temperatura de regim la care lucrează biela este în funcţie de turaţia şi de încărcătura motorului. La regimuri joase, căldura se transmite de la bolţ spre lagăr. Când motorul este menţinut la turaţia înaltă, căldura generată de lagăr devine preponderentă. Răcirea principală a bielei este aceea care se face prin circuitul uleiului de ungere şi prin radiaţie. Temperatura uleiului de ungere poate depăşi 140 °C, când motorul este menţinut mult timp la turaţia corespunzătoare puterii maxime. În astfel de cazuri, temperatura de regim a bielei va fi de circa 150 °C. Forţele de inserţie rezultate din mişcările alternative sunt proporţionale cu greutatea următoarelor piese: -
pistonul;
-
segmenţii (plus extensorii lor);
-
bolţul şi siguranţele lui;
-
capătul mic al bielei; 19
-
bucşa de bolţ. Mişcarea bielei fiind foarte complexă este greu să se ştie câte grame din
greutatea ei pot fi considerate că lucrează alternativ şi câte grame circular. Pentru aprecierea forţelor de inerţie generate de mişcările bielei este necesar să se cunoască aceste greutăţi. Practic, ele se pot afla aşezând biela orizontal cu un capăt pe talerul unei balanţe şi cu celălalt rezemat pe un obiect oarecare, aşezat lângă balanţă. Cântărirea se face pentru ambele capete. Suma trebuie să fie egală cu greutatea totală a bielei. Pentru calculul forţei de inerţie totală a pieselor cu mişcare alternativă se vor aduna greutăţile de mai sus şi apoi se va folosi formula de calcul. Pentru a vedea care sunt forţele centrifuge care acţionează asupra lagărului se va considera greutatea capătului mare al bielei complet, adică având cuzineţii de lagăr, capacul, şuruburile, piuliţele şi cuiele spintecate. Mărimea acestor forţe este dată cu oarecare aproximaţie de relaţia: F = G/10 x S/2 x n2/100. Solicitările forțelor centrifuge lucrează permanent asupra manetonului. La aceste solicitări permanente se adaugă forțele de inerție alternative și variabile, care sunt maxime în dreptul punctelor moarte. Forțele produse de explozii acţionează în sens contrat forţelor de inerţie.
III.2. CONDIŢII TEHNICE Asigurarea unei rezistenţe înalte la oboseală se obţine printr-o forjare corectă a metalului cu o repartizare corespunzătoare a fibrelor în semifabricat şi prin metode speciale de durificare a straturilor superficiale ale corpului bielei (de ex. ecruisarea cu alice). De obicei biela şi capacul acesteia nu sunt interschimbabile, întrucât ele sunt supuse unor prelucrări definitive în stare asamblată, la fel ca şi bucşele din piciorul bielei.
20
La prelucrarea bielelor trebuie îndeplinite următoarele condiţii tehnice: -
axele capetelor bielei trebuie să fie perpendiculare pe axa
corpului bielei şi să se intersecteze cu ea (cele trei axe să fie cuprinse în acelaşi plan); -
respectarea cotelor determinate ale bazelor funcţionale,
cum sunt:
diametrul capului mic;
diametrul capului mare;
distanţa între axele celor două capete;
distanţa între găurile pentru asamblarea capacului cu
corpul. suprafeţele frontale ale capetelor vor fi perpendiculare pe
-
axele alezajelor. Rugozitatea suprafeţelor alezajelor poate ajunge la R a =
-
0,2µm. Deformaţiile sau abaterile de la forma cilindrică a piciorului bielei cât şi a capului bielei exercită o puternică influenţă asupra uzurii bolţului şi a cuzineţilor, putînd provoca chiar griparea acestora. De aceea în afara măsurilor pentru rigidizare se impun condiţii severe pentru execuţie, astfel: -
axele alezajelor trebuie să fie în acelaşi plan şi paralele; abaterile de la paralelism şi coplaneitate pe o lungime de
100 mm, maximum 0,05 mm; -
se limitează ovalitatea şi conicitatea alezajelor (de ex.
pentru diametrul de 80 mm se admite cel mult 0,012 mm); -
nu se admite joc pe suprafaţa de îmbinare a capacului cu
capul bielei, din care cauză suprafeţele plane ale acestei îmbinări se rectifică foarte precis; -
abaterile privind distanţa între axele alezajelor vor fi între 21
0,05...0,lmm. În ceea ce priveşte jocurile, pentru a realiza îmbinarea cu bolţul, biela se sortează şi după alezajul piciorului. La îmbinarea cu fusul maneton, pentru asigurarea condiţiilor de ungere hidrodinamica, trebuie respectat jocul în limitele Ac=(0,00045...0,0015) d m , unde d m este diametrul fusului maneton. Pentru a reduce scăpările de ulei jocul axial în lungul manetonului se limitează Ia 0,15...0,30 mm. O atenţie deosebită trebuie să se acorde strîngerii şuruburilor de biela, deoarece în cazul unor deformaţii este posibilă o uzură inegală atît a manetonului cît si a cuzinetului sau chiar topirea aliajului antifricţiune. Strîngerea trebuie făcută cu cheia dinamometrică după prescripţiile uzinei constructoare. (De exemplu cuplul de strîngere la motorul DACIA 1300 este de ~4,5 N.m.)
22
IV. FLUXUL TEHNOLOGIC DE FABRICARE IV. 1. DESCRIERE GENERALĂ Caracteristic la prelucrarea bielei este înalta precizie de execuţie a alezajelor din capul şi piciorul bielei şi a feţelor frontale perpendiculare a acestora. Biela şi capacul bielei nu sînt interschimbabile, deoarece ele sînt supuse unor prelucrări definitive în stare asamblată, la fel ca şi bucşele de bielă, care se prelucrează definitiv după presare, pentru asigurarea preciziei înalte a dimensiunilor şi a poziţiilor reciproce. La prelucrarea bielei se disting în general următoarele etape : - alegerea şi prelucrarea bazelor de aşezare, respectiv a suprafeţelor frontale plane; - prelucrarea alezajelor din capul şi piciorul bielei; -
prelucrarea suprafeţelor plane de separaţie ale capului şi capacului bielei;
-
prelucrarea găurilor pentru şuruburile de
bielă; Frezarea simultană a suprafeţelor
-
frontale ale bielei.
prelucrarea definitivă a
alezajelor; -
ajustarea şi sortarea bielelor pe grupe masice; -
operaţii de control.
Alegerea şi prelucrarea bazelor de aşezare Pentru realizarea unor suprafeţe plane de reazem, de calitate, procesul tehnologic începe cu prelucrarea feţelor frontale ale capului şi piciorului bielei. 23
Se recomandă ca la prinderea piesei, să se respecte poziţia de matriţare a bielei pentru a avea o repartizare uniformă a adaosurilor de prelucrare. O asemenea metodă de aşezare asigură obţinerea unor feţe frontale prelucrate, ale capului şi piciorului la distanţele date de planul de simetrie al semifabricatului. Prelucrarea feţelor frontale se execută prin frezare, broşare sau rectificare plană. In cazul frezării se pot prelucra separat suprafeţele capului şi
piciorului. bielei sau la o singură aşezare se prelucrează toate cele patru feţe frontale, utilizîndu-se în acest scop, maşini speciale de frezat multiaxe Broşarea feţelor frontale poate fi aplicată atît la bielele cu lungimea
capului şi piciorului diferită cît şi la bielele cu lungimea acestor elemente, egală. În primul caz, prelucrarea se efectuează în mod succesiv prin broşarea ambelor feţe frontale ale capului şi ambelor feţe frontale ale piciorului bielei, pe maşini verticale de broşat. În cazul al doilea se efectuează simultan prelucrarea feţelor frontale de pe o parte pe agregate orizontale de broşat. Rectificarea se aplică bielelor simetrice care au lungimea capului
egală cu lungimea piciorului şi ale căror feţe frontale se află în acelaşi plan. Se rectifică simultan feţele frontale de pe o parte, urmează întoarcerea şi execuţia aceloraşi operaţii pe partea opusă. Se utilizează maşini de rectificat plan cu platou magnetic
Broşarea suprafeţelor frontale
Rectificarea suprafetelor
ale capului si piciorului bielei
frontale .
24
.
Prelucrarea alezajului din piciorul bielei:
Prelucrarea suprafeţelor plane de separaţie ale capului bielei :
a - bielă cu capac separat :
a - bielă cu capac separat ;
b - bielă cu capac comun
b - bielă cu capac comun.
Prelucrarea prealabilă a alezajelor din capul şi piciorul biele
în cazul prelucrării bielelor forjate separat alezajul din piciorul bielei se execută prin burghiere, orientînd piesa după conturul piciorului, cu strîngere pe faţa frontală. Operaţia de burghiere este urmată de alezare din aceeaşi prindere, pe maşini de găurit cu mai multe axe. La bielele forjate cu capac aşezîndu-le pe feţele frontale prelucrate, se execută burghierea alezajului din piciorul bielei pe maşini de găurit cu capete multiaxe şi strunjirea alezajului din capul bielei pe strunguri paralele, apoi se face secţionarea capului.
25
Prelucrarea suprafeţelor plane de separaţie ale capului bielei
Cînd biela şi capacul sînt semifabricate distincte, suprafeţele plane de separaţie se prelucrează în mod obişnuit prin broşare pe maşini verticale de broşat şi mai rar se frezează pe maşini orizontale de frezat. La prelucrarea bielelor forjate cu capacul făcînd corp comun se face mai întîi secţionarea capului bielei şi apoi broşarea sau rectificarea suprafeţelor de separaţie pe maşini verticale de broşat, respectiv, pe maşini de rectificat plan. În ambele cazuri, de obicei, în dispozitiv se prind piesele perechi .
Prelucrarea găurilor pentru şuruburile de bielă.
Prelucrarea de finisare a alezajelor din capul şi piciorul bielei.
Prelucrarea găurilor pentru şuruburile de bielă
Prelucrarea găurilor pentru şuruburi, atît în corpul bielei, cît şi în capac, se execută concomitent prin operaţii de burghiere, lărgire, teşire, alezare, filetare (cînd este cazul) pe maşini de găurit cu capete multiaxe şi masă rotativă sau agregat de găurit. Piesa se orientează după alezajele din piciorul şi capul bielei cu apăsare pe suprafaţa frontală a capacului şi corpului. Soluţia de prelucrare a găurilor de şuruburi separat la cele două piese este folosită foarte rar şi numai cu condiţia ca ultimele operaţii de alezare să se execute împreună pentru a asigura o centrare exactă a capacului şi corpului bielei cu ajutorul şuruburilor. 26
Prelucrarea de semifinisare a alezajelor din capul şi piciorul biele.
Semifinisarea alezajelor se execută după asamblarea corpului cu capacul bielei cu ajutorul şuruburilor. Prelucrarea constă, de obicei, din operaţii de strunjire interioară din mai multe treceri şi mai rar din operaţii de adîncire şi alezare. Pentru asigurarea paralelismului axelor şi distanţei dintre cele două alezaje semifinisarea se realizează concomitent pentru capul şi piciorul bielei pe, agregate speciale cu două axe, piesele fiind mai întîi centrale pe cele două găuri şi apoi strînse pe feţele frontale laterale. La bielele prevăzute cu bucşe se prelucrează prin strunjire de finisare alezajul din piciorul bielei după care se presează bucşa. Apoi se execută prelucrarea de finisare a celor două alezaje concomitent din mai multe treceri, folosind aceleaşi baze de aşezare şi prindere ca în cazul semifinisării, asigurîndu-se în acest mod condiţii pentru respectarea paralelismului axelor alezajelor, preciziei distanţei între axe, perpendicularităţii axelor alezajelor pe feţele laterale etc. În unele procese tehnologice prelucrarea de finisare a alezajului din capul bielei se execută prin honuire, procedeu care evident măreşte costurile de producţie. Ajustarea şi sortarea bielelor pe grupe masice
Operaţia de ajustare a masei bielelor se execută prin frezare pe maşini de frezat orizontale şi constă din îndepărtarea de pe suprafeţele celor două capete a cantităţilor de metal suplimentare, în scopul obţinerii masei prescrise. înainte de frezare piesele se cintărasc pe cîntare speciale, atît piciorul bielei, cît şi capul bielei, independent, eu marcarea adaosului în grame. În cadrul tuturor etapelor de prelucrare un rol însemnat îl au operaţiile de control tehnic de calitate intermediar şi final, în cadrul procesului, fiind preci-
zate puncte de control dotate cu dispozitive şi aparate speciale de verificare.
27
IV. 2. PROPUNERE DE CALCUL PRIVIND PRELUCRAREA ÎN FLUX TEHNOLOGIC A 100000 BIELE / AN 1.
Material: oţel carbon; 2.
Semifabricatele pentru bielă sunt executate în varianta în care corpul şi capacul bielei fac corp comun, prin matriţare;
3. Succesiunea principalelor operaţii la prelucrarea mecanică a bielei si masinile unelte folosite Nr. operaţie
Denumirea operaţiei
Maşina-unealtă
1
Rectificarea simultană a supraleţelor plane a capului şi piciorului bielei pe o lată, întoarcerea piesei şi rectificarea feţelor opuse in mai multe treceri.
Maşină de rectificat plan cu platou magnetic
2
Demagnetizare
Dispozitiv de demagnetizare cu bandă
3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22
Prelucrarea alezajului din piciorul bielei prin burghiere-alezare. Retezarea capacului de bielă de corpul acesteia Rectificarea simultană a suprafeţei de îmbinare (corp şi capac). Prima strunjire a alezajului din capul bielei la o prindere pereche a corpului şi capacului. Executarea găurilor pentru şuruburi in capacul şi corpul bielei. Filetarea găurilor pentru şuruburi din corpul bielei. Controlul intermediar Asamblarea bielei cu capacul. Strunjirea simultană a alezajelor din capul şi piciorul bielei cu respectarea antraxului. Presarea bucşei în alezajul piciorului bielei Strunjirea de finisare a alezajelor din capul şi piciorul bielei cu controlul efectiv al dimensiunilor. Control intermediar Demontarea capacului bielei. Frezarea locaşului pentru pintenul cuzinetului simultan la corp şi capac. Asamblarea bielei cu capacul. Cîntărire şi marcarea masei suplimentare. Frezarea adaosului de material de la capul şi piciorul bielei. Cintărirea şi sortarea pe grupe masice, marcare. Control final Conservare
Agregat de găurit Agregat de retezat cu disc Maşină de rectificat plan Strung paralel Maşină de găurit cu cap multiaxe Maşină de filetat Aparatură de control Banc de montaj Maşină specială de strunjit Banc de montaj Maşină specială de strunjit Aparatură de control Banc de montaj Maşină de frezat universală Banc de montaj Cîntar Maşină de frezat Cîntărire, banc, de lucru Aparatură de control Baie de conservare
4. Calculul timpului de execuţie a fiecărei operaţiuni / piesă 28
(durata stabilită este ipotetică) Nr. operaţie
Denumirea operaţiei
1
Rectificarea simultană a supraleţelor plane a capului şi piciorului bielei pe o latură, întoarcerea piesei şi rectificarea feţelor opuse in mai multe treceri.
2
Demagnetizare
3
Prelucrarea alezajului din piciorul bielei prin burghiere-alezare.
4
Retezarea capacului de bielă de corpul acesteia
5 6 7 8
Rectificarea simultană a suprafeţei de îmbinare (corp şi capac). Prima strunjire a alezajului din capul bielei la o prindere pereche a corpului şi capacului. Executarea găurilor pentru şuruburi in capacul şi corpul bielei. Filetarea găurilor pentru şuruburi din corpul bielei.
9
Controlul intermediar
10
Asamblarea bielei cu capacul.
11
Strunjirea simultană a alezajelor din capul şi piciorul bielei cu respectarea antraxului.
12
Presarea bucşei în alezajul piciorului bielei
13
Strunjirea de finisare a alezajelor din capul şi piciorul bielei cu controlul efectiv al dimensiunilor.
14
Control intermediar
15
Demontarea capacului bielei.
16
Frezarea locaşului pentru pintenul cuzinetului simultan la corp şi capac.
17
Asamblarea bielei cu capacul.
18
Cîntărire şi marcarea masei suplimentare.
19
Frezarea adaosului de material de la capul şi piciorul bielei.
20
Cintărirea şi sortarea pe grupe masice, marcare.
21
Control final
Timp de execuţie Top.1 3 min.* Top.2 1 min.* Top.3 1 min.* Top.4 0,3 min* Top.5 1 min.* Top.6 4 min.* Top.7 3 min.* Top.8 10 min.* Top.9 1 min.* Top.10 1 min.* Top.11 2 min.* Top.12 0,2 min*. Top.13 3 min.* Top.14 1 min.* Top.15 1 min.* Top.16 2 min.* Top.17 1 min.* Top.18 2 min.* Top.19 3 min.* Top.20 1 min.* Top.21 3 min.*
29
22
Top.22 2 min.*
Conservare
* La timpul necesar fiecărei operațiuni (Top.) se va adăuga și „t” = 0,30 min. ( 18 sec.) reprezentând timpul necesar aşezării / luării piesei ce urmează a fi prelucrată, în maşina-unealtă.
T pr. – timpul necesar prelucrării unei biele
Tpr.= Top.1 + Top.2+ Top.3+ Top.4+Top.5 +Top.6+Top.7+ Top.8 +Top.9 +Top.10 +Top.11+Top.12+ Top.13 +Top.1+ Top.15+ Top.16+ Top.17+ Top.18+Top.19+Top.20+ Top.21+ Top.22 + t x 22 = 3+1+1+0,3+1+4+3+10+1+1+2+0,2+3+1+1+2+1+2+3+1+3+2+ 0,30 x 22 =46,5 min. + 0,30 x 22 = 46,5 min. + 6,60 min. = 53,10 min. Tpr.= 53,10 min Din timpul zilnic de lucru (8 h.) luăm în calcul timp efectiv de lucru 7h. (1h alocăm pauzei de masă şi întreruperilor neprevăzute ale fluxului de producţie.) Nr. piese produse într-o zi = 7h. : 53,10 min. = 420 min : 53,10 min. = 7,9 7,9 reprezintă numărul de biele prelucrate întro zi de lucru, pe o linie de prelucrare dotată cu câte o maşină-unealtă pentru fiecare operaţiune. Nr. zile lucrătoare / an = 244 Rezultă: În aceleaşi condiţii, într-un an se prelucrează 244 x 7,9 = 1927,6 biele. Calculul pentru a ajunge la o producţie de 100.000 biele /an: (100.000 x 1) : 1927,6 = 100.000 : 1927,6 = 51,8 1 – reprezintă o linie de prelucrare cu câte o maşină-unealtă pentru fiecare operaţiune. CONCLUZIE: Pentru o producţie de 100.000 biele / an, sunt necesare (conform timpilor de prelucrare stabiliţi) 52 linii de prelucrare, dotate fiecare cu câte o maşină – unealtă pentru fiecare operaţiune. V. FLUXUL TEHNOLOGIC DE MONTARE După prelucrarea mecanică a bielei urmează asamblarea corpului cu capacul şi efectuarea unor operaţii în stare asamblată. În general, ele se desfăşoară după schema: - alezarea simultană a alezajelor capetelor cu bare – cuţit, pe maşini speciale; 30
- teşirea alezajelor; - honuirea alezajelor cu corpuri abrazive diamantate; - spălarea şi controlul diametrelor; - verificarea şi înlăturarea răsucirii axelor prin restabilirea paralelismului lor; - sortarea pe clase de greutate. În cadrul acestor operaţii se pot utiliza „instalări”. După operaţia de cântărire şi marcarea grupelor prin vopsire, piesele sunt aduse în punctul de control final. În cadrul controlului prin prelevare se efectuează: -
controlul alezajelor (inclusiv conicitatea şi ovalitatea) capului şi piciorului bielei cu ajutorul aparatelor pneumatice tip etanic;
- controlul abaterilor de la paralelism şi răsucirea alezajelor tot cu aparate pneumatice tip Etamic; - controlul paralelismului şi al distanţei dintre feţele laterale, cu un dispozitiv de control; - prezenţa tuturor operaţiilor prevăzute; - absenţa fisurilor şi a golurilor de material (pori), a porţiunilor oxidate; - prezenţa marcajului de vopsea ce indică greutatea bielei; - starea suprafeţelor uzinate. După control, piesele se conservă.
Defectări şi reparaţii la biele Biela bate lovind în umerii pistonului atunci cînd manetonul respectiv
afost rectificat greşit. Sunetul este ascuţit (zăngănit). Astfel de cazuri se întîlnesc rareori. Despre bătaia de lagăr se vorbeşte la capitolul următor. Ruperile de bielă se pot produce în unele cazuri din următoarele cauze 31
accidentale: —încălecarea cuzineţilor de lagăr (ruperea bielei prin îndoire, din cauză înţepenirii lagărului); —lagăr topit sau cu joc mare (rupere prin loviri repetate pe maneton); —bolţ rupt (biela se rupe după ruperea bolţului, prin lovirea de cilindru sau de piston); —piston spart (cu aceleaşi urmări); —role înţepenite în lagăre cu rulmenţi (din această cauză uneori se rupe mai întîi pistonul şi apoi biela); — şuruburile
capacului slabite sau rupte;
—gripare de lagăre (cuzineţi de bronz fără joc suficient); — smulgerea
filetului la şurubul de asigurare a
bolţului. Deseori, ruperea bielei este urmată şi de alte degradări mai mari, ca: spargerea cilindrilor, ruperea carterului, perforarea băii de ulei, deteriorarea arborelui cotit, ruperea pistonului etc. Şuruburile capacului cer o atenţie deosebită.
Ele pot ceda dacă: - sînt strînse prea mult (se rup);
Bătaia capătului mic din cauza unui maneion greşii: a — poziţia bielei la b — poziţia bielei la
a! bielei rectificat PMS, PMI.
- filetul s-a deformat prin strîngerea exagerată (iese piuliţa); - sunt strînse insuficient; - sunt executate din material necorespunzător; - capacul s-a ovalizat; - piuliţele sînt neasigurate şi s-au slăbit; - suprafeţele de strîngere ale capacului nu calcă perfect pe cele ale bielei. Această din urmă situaţie poate duce la ruperea şuruburilor şi a bielei, deşi la montare nu se observă nimic. Dacă suprafeţele de strîngere ale capacului 32
calcă numai în jurul şuruburilor, solicitările mari alternative la turaţii înalte vor supune şuruburile la deformări repetate, care pot duce la ruperea lor. Deteriorările care se produc la biele pot fi: smulgerea sau deformarea filetului la şuruburi (cele mai
-
grave); strîmbări prin lovituri sau în urma prinderii neraţionale în
-
menghină; deteriorarea filetului la şurubul de siguranţă a bolţului (dacă.
-
există); -
pilirea laterală a locaşului pentru bolţ şi deteriorarea
suprafeţei pentru lagăr. Aceasta din urmă se constată de obicei în urma topirii unui lagăr, cu care ocazie s-au provocat rizuri sau şanţuri mai mari sau mai mici pe bielă. Acest lucru nu prezintă importanţă în cazul turnării lagărelor direct pe bielă, deoarece compoziţia prinde mai bine pe aceste rizuri. Rizurile bielei nu sînt admisibile însă, în cazul cînd lagărul este format din cuzineţi demontabili. In acest caz bielele trebuie rectificate, deoarece suprafaţa pe care stau cuzineţii trebuie să fie perfect cilindrică şi netedă. In asemenea cazuri va trebui să se monteze cuzineţi
cu diametrul exterior mai mare.
Reparaţii la biele. Orice bielă demontată se va spăla bine cu benzină şi se va examina cu lupa, la lumină puternică pentru a cerceta dacă are vreo crăpătură. Bielele cu fisuri nu se repară, ci trebuie să fie înlocuite. Adeseori se consideră că, dacă s-au ajustat bucşa de bolţ şi lagărul, biela este gata pentru a fi montată. Insă, la o reparaţie-corectă este foarte important să se mai efectueze următoarele operaţii: - controlul şi îndreptarea bielelor răsucite sau îndoite; - verificarea dacă bielele nu apasă lateral în piston, atunci cînd sînt montate în motor. In mod corect, alinierea bielelor se face la aparate speciale. Nu se 33
recomandă să se facă acest control fără aparat, montînd provizoriu bielele în motor cu pistoanele fără segmenţi şi observând cum calcă pistoanele pe cilindru. Acest sistem nu este atît de precis ca alinierea făcută la aparat. Este greşită părerea că verificarea bielelor la aparat este inutilă, deoarece s-au observat cazuri cînd unele biele verificate la aparat, păreau să lucreze strîmb, atunci cînd, erau montate în motor. In realitate, dacă o bielă verificată la aparat pare că nu stă corect în motor, cauza este una dintre următoarele: - linia de arbore nu este perpendiculară pe axele cilindrilor. Dacă este înclinată numai cu cîteva zecimi de milimetru, acest lucru face ca pistoanele să nu calce perfect pe cilindru; - pistoanele au deformaţii datorite hoiturilor bătute cu ciocanul; - biela alunecînd prea greu pe bolţ, nu poate veni singură în poziţia cea mai convenabilă; - biela alunecă uşor pe bolţ, însă presează cu marginea bucşei pe unul din umerii pistonului; - manetonul este strîmb (ajustat cu pila) etc; - bolţul nu este perpendicular pe axul cilindrului. Aparatele pentru controlul bielelor pot fi construite destul de uşor, în orice atelier mecanic (ca în figură). Pentru aceasta sînt necesare: - un disc cu un cap central, ca un tampon vechi de vagon de cale ferată sau altă piesă de formă asemănătoare; - o traversă de oţel, o placă suport de 40x40x2 cm, cîteva bucşe de oţel etc.
Aparat pentru controlul bielelor
Pentru prelucrarea şi asamblarea pieselor pozitivului este nevoie numai de un strung şi de un apăsat de sudură. Suprafaţa tamponului trebuie să fie perfect plană, lustruită şi perpendiculară pe axul său. Pentru diferite dimensiuni de lagăr se vor face o serie de bucşe care să intre exact pe cepul de jos C şi să aibă diametre exterioare crescînd cu cîte 0,5 mm. 34
Axul tamponului trebuie să intre în bucşa B fără joc. Dificultatea principală în construirea acestui aparat este realizarea paralelismului perfect între axele cepului C şi a bucşei B. Pentru diferenţele mici dintre diametrele lagărelor se fac o serie de adausuri de tablă, pentru a fi aşezate între bucşe şi bielele respective. Aparatul se fixează cu şuruburi pe banc în dreptul unei ferestre, astfel încît faţa tamponului să fie perpendiculară pe fereastră. Acest aparat serveşte atît la controlul cît şi la îndreptarea bielelor, realizînd astfel o mare economie de timp. Se procedează astfel: - se aşază pe banc toate bielele motorului respectiv, după ce lagărele şi bucşele de bolţ au fost ajustate şi după ce s-au asamblat pistoanele (preferabil fără segmenţi); - se caută biela care are lagărul cu diametrul cel mai mic; - se caută bucşa cea mai exactă faţă de această bielă; - se strînge biela pe această bucşă (dacă are joc se aşază un adaos de tablă); - se introduce biela (cu bucşa în ea) pe cepul de jos C al aparatului; - se împinge uşor pînă cînd se produce o uşoară atingere între piston şi suprafaţa tamponului; - se observă, privind paralel cu faţa tamponului, locul unde pistonul atinge tamponul; - în mod normal, muchia de jos a pistonului trebuie să atingă totdeauna tamponul, iar distanţa va creşte în sus, pentru că orice piston este puţin conic; - se măsoară distanţa sus cu ajutorul unei lame calibrate; - se scoate apoi biela de pe cepul C şi se reintroduce cu partea A a bucşei spre suport, pînă cînd pistonul atinge tamponul? - în această nouă poziţie, distanţa dintre tampon şi piston, sus, trebuie să fie egală cu distanţa măsurată în poziţia precedentă.
35
Dispozitiv pentru îndreptarea bielelor încovoiate.
Dacă se constată că pistonul are o poziţie deviată, biela se poate îndrepta la rece fără a o scoate din aparat, folosind dispozitivul special foarte simplu reprezentat mai sus. Acest dispozitiv se prinde de bielă în poziţia care este necesară spre a o putea îndrepta. Brida A se aşază în apropiere de mijlocul bielei cu ajutorul celor două piuliţe ale plăcii D, care se-vor înşuruba cu mîna. Lama B este din tablă de oţel, prinsă cu unul sau cu două nituri subţiri de placa masivă a dispozitivului. La capătul lamei este prinsă cu.două nituri placa F, datorită căreia se evită ca vîrful şurubului C să deterioreze materialul bielei.
Placa D a bridei poate fi completată cu un adaos din foaie de fibră E spre a proteja biela. îndreptarea bielei se face manevrînd şurubul C, prin una sau prin mai multe încercări. După fiecare încercare şurubul C se slăbeşte complet, iar biela se controlează, apropiind-o de tamponul aparatului. Folosirea dispozitivului dă rezultate mult mai bune decît metoda de a îndrepta bielele direct cu mijloace manuale.
36
Prin operaţiile descrise se remediază îndoirea bielei. Insă o bielă poate fi nu umai îndoită, ci şi răsucită (torsionată). Răsucirea bielei se remediază astfel: - după ce îndoirea bielei a fost constatată şi remediat, se apropie din nou pistonul de tampon; - se înclină apoi complet pistonul (fără să se deplaseze biela); - dacă biela nu este răsucită distanţa dintre capul pistonului şi tampon va rămîne neschimbată. Dacă această distanţă variază, la înclinarea pistonului, aceasta dovedeşte că biela este răsucită. In exemplul din figură, capul pistonului atinge tamponul. Aceasta arată că biela este-răsucită la dreapta (privind de sus). Pentru a o îndrepta, se introduce un dorn în bolţ şi se răsuceşte biela în sensul necesar. Folosirea metodelor descrise mai sus prezintă multe avantaje, dintre care se menţionează: - se controlează biela împreună cu pistonul şi cu bolţul ei, adică aşa cum vor fi montate în motor; - se observă imediat cele mai mici defecte, deoarece se pot vedea cu ochiul liber diferenţe de sutimi de milimetru, cînd lumina trece prin spaţiul liniar dintre piston şi suprafaţa bine lustruită a tamponului; - se poate îndrepta biela repede, pe loc, fără demontări şi fără lovituri de ciocan. Timpul care se pierde făcînd controlul prin aşezarea în motor, montînd şi 37
demontînd de 3—4 ori biela de pe arborele cotit, este de 10—20 ori mai lung decît cel necesar în cazul cînd se foloseşte aparatul de control al bielelor. Avantajul constă nu numai în ce priveşte reducerea timpului, ci şi în precizia operaţiilor. Un dezavantaj al acestui aparat constă în numărul mare de bucşe necesare pentru diferitele diametre ale lagărelor, însă cu 20—30 de bucşe se poate lucra la toate motoarele curente. La acest aparat trebuie să se aibă grijă ca: - suprafaţa tamponului să fie perfect lustruită; - axul său să intre cu frecare în bucşa de sus; - toate bucşele să intre fără joc pe cepul C; - aparatul să fie rigid (să nu se deformeze); - strîngerea bielelor pe bucşe să se facă folosind adaosuri de tablă cît mai potrivite şi curate; - biela trebuie să fie bine strînsă pe bucşă sore a nu se deplasa, cînd este trasă cu dornul pentru a o îndrepta. Dacă o bielă prezintă o deformaţie foarte accentuată în urma unei loviri, astfel încît efectul este vizibil cu ochiul liber, aceasta trebuie înlocuită. îndreptarea unor biele care au deformaţii vizibile poate produce în material fisuri care să cauzeze ulterior ruperea bielei în timpul funcţionării. Dacă se montează biele strîmbe, necontrolate, după cîteva mii de kilometri se constată ovalizări anormale ale cilindrilor în sensul lungimii blocului. De asemenea, la demontarea motoarelor care au fost reparate se găsesc adeseori pistoane albe pe o parte şi negre pe partea opusă. O bielă strîmbă montată în motor nu se poate îndrepta prin funcţionare; ea va lucra forţînd permanent piesele de care este legată, datorită elasticităţii oţelului din care este executată. Dezavantajele care rezultă în urma montării unor biete strîmbe sînt următoarele:
- cilindri ovalizaţi rapid şi anormal; 38
- pistoane uzate anormal; - segmenţii calcă necorect (pe muchii); - lagărele se uzează mai mult la margini, capătă joc mai repede, pierd ulei mai mult; - presiunea uleiului scade; - manetoanele arborelui cotit se uzează rapid şi inegal, în formă de „butoi"; - bucşele şi bolţurile se uzează mai repede; - frecările interne cresc; - motorul se încălzeşte; - consumul de benzină creşte; - parcursul efectuat între reparaţii scade etc. Iată de ce, aparatul de verificat biele nu trebuie să lipsească din nici un atelier de reparaţii auto. Numerotarea bielelor. In general, bielele se marchează cu cifra cilindrului
respectiv, în dreptul şurubului de bielă dinspre axul cu came. Marcarea se face dublu, adică se bate aceeaşi cifră şi pe marginea capacului de bielă şi pe bielă, imediat deasupra, spre a se evita montarea greşită a capacelor. Spre a înlesni munca în cazul reparaţiilor parţiale, este practic ca bielele să poată fi scoase din motor pe sus, prin cilindru, adică fără să fie nevoie de a demonta arborele cotit. Acest lucru este mai greu de realizat la motoarele al căror alezaj este mult mai mic decît cursa. Tendinţa actuală este de a se construi motoare „pătrate" adică a căror cursă este aproape egală cu alezajul, astfel încît numărul motoarelor la care bielele pot fi scoase prin cilindru pe sus, se măreşte. Dacă biela este dintr-o bucată cu şuruburile (construcţie folosită din ce în ce mai des), este posibil ca o bielă bună să devină inutilizabilă din cauza unei strîngeri exagerate. De asemenea, strîngerea puternică poate să provoace deformaţii locale, astfel încît suprafaţa lagărului să nu mai calce normal. Este foarte important să nu se schimbe piuliţele speciale de la biele cu altele mai scurte, din material mai slab, fără creneluri etc, deoarece urmările unor astfel de greşeli pot fi foarte 39
grave. Dacă strîngerea piuliţelor de bielă se face cu chei dinamo-metrice, se vor strînge la fel toate capacele. De asemenea, în timpul ajustării unui lagăr, diferitele strîngeri vor fi totdeauna egale. Suprafeţele de strîngere dintre capac şi bielă trebuie să fie perfect plane şi să calce exact una pe alta. Uneori, se întîlnesc biele la care locaşul pentru bucşa de bolţ a fost pilit lateral. In astfel de cazuri este probabil că la montarea motorului s-a constatat că biela apasă lateral pe un umăr al pistonului şi, în loc să fie îndreptată, s-a pilit din marginea ei. Procedeul este incorect deoarece: -
se micşorează suprafaţa pe care apasă bolţul (favorizînd
astfel uzurile şi pericolul de rupere); - efortul în bielă nu va mai fi simetric, se lucrează cu biela strîmbă etc. După verificarea bielelor la aparat şi eventuala îndreptare a lor, este nevoie de un control în motor. Pentru aceasta se vor monta toate bielele şi se va roti arborele cotit cu 20— 30 rotaţii. După această probă trebuie ca la toate bielele să existe un oarecare joc între capătul mic şi umerii pistonului respectiv. Bielă cu două încovoieri. Dacă
două
o
bielă
apasă lateral pe piston înseamnă că
are
încovoieri (ca în figura alăturată). Bielele strîmbe în
acest fel apar ca bune la controlul făcut cu aparatul descris mai înainte, în astfel de cazuri, biela se va strînge în menghină şi se va îndrepta, începind de la bază, apucînd-o cu o sculă specială asemănătoare cu acelea folosite la îndoirea oţelului pentru beton armat (mangealîc). Apoi se va controla si îndrepta. Astfel de biele cu două încovoieri se întîlnesc însă foarte rar. Ar fi necesar să se poată aduce la aceeaşi greutate toate 40
bielele unui motor, acest lucru este însă uneori imposibil. Diferenţe de greutate la biele se ivesc în special cînd lagărele nu au toate acelaşi diametru. Biela al cărei lagăr are diametrul mai mic va fi mai grea decît celelalte. Diferenţa va influenţa numai forţele centrifuge, deoarece plusul de greutate se găseşte numai la capătul mare al bielei. In astfel de cazuri biela mai grea nu trebuie uşurată, pentru a nu dezechilibra ambielajul. Dacă un maneton a suferit o gripare şi a fost rectificat, diametrul său poate fi cu 2 mm mai mic decît al celorlalte. In acest caz, biela respectivă va avea o greutate cu 40—80 g mai mare decît celelalte, ceea ce, la turaţii înalte, va crea forţe centrifuge suplimentare de 50—100 kgf. Aceste forţe vor acţiona tocmai asupra manetonului care este mai slab, producînd presiuni locale mai mari. S-a dat acest exemplu oarecum exagerat, pentru a se cunoaşte urmările unor astfel de reparaţii, la care manetoanele nu au acelaşi diametru. La fabricaţie diferenţele maxime de greutate între bielele unui motor sînt de circa ±1%'. Bielele, mai ales după ce au fost controlate la aparat, trebuie să fie ferite de lovituri. De aceea, este recomandabil ca ele să fie păstrate, ca şi supapele, întrun rastel special.
Ansamblul bielă-piston Ansamblul bielă-piston este format din piston, segmenţi, bolţ de piston şi bielă. Pistoanele. Forţele cu care gazele de ardere apasă asupra pistonului în timpul
cursei utile sînt foarte mari. Dacă se consideră presiunea gazelor la începutul cursei utile, la un motor cu carburator, egală cu 40 kgf/cm 2, iar diametrul pistonului egal, de exemplu, cu 90 mm, forţa pe fundul pistonului va fi de circa 2 500 kgf. La motoarele Diesel presiunea este şi mai mare. Pentru a prelua o asemenea solicitare, pistonul trebuie să fie destul de rezistent. La rotirea uniformă a arborelui cotit, pistonul se deplasează în cilindru cu o viteză variabilă; în p.m.s. şi p.m.i. viteza pistonului este nulă, iar la aproximativ jumătate din cursă viteza atinge valoarea maximă. Astfel pistonul se deplasează 41
neuniform cu acceleraţie pozitivă sau negativă; prin aceasta apar forţe de inerţie ale căror valori, care depind de greutatea pistonului şi de turaţia arborelui, pot fi foarte mari, în special la motoarele moderne rapide. Pentru a se micşora forţele de inerţie, greutatea pistonului trebuie să fie cît se poate de mică, ţinînd însă seama de condiţiile de rezistenţă pe care trebuie să le îndeplinească. Satisfacerea cerinţelor de rezistenţă suficientă şi de greutate minimă, care se contrazic între ele, se realizează dîndu-se pistonului o formă raţională (întărirea locală a părţilor mai solicitate, introducerea nervurilor de rigidizare etc), pe de o parte, şi prin alegerea materialelor corespunzătoare, pe de altă parte. Din punct de vedere termic, pistonul lucrează în condiţii foarte grele, deoarece o mare parte din timp, eleste expus la contactul direct cu gazele de ardere în cilindrul motorului, evacuarea căldurii spre peretele cilinduhu şi spre mediul înconjurător fiind dificilă. Din această cauză, temperatura pistonului poate să crească atît de mult, încît să se producă pericolul înţepenirii (gripării) sale în cilindru, a autoaprinderii amestecului de lucru, a apariţiei detonaţiei etc. Pentru a se reduce temperatură pistonului, se caută să se mărească suprafaţa sa de răcire prin nervuri de răcire care măresc totodată şi rezistenţa pistonului. Pistoanele motoarelor moderne de automobil se, execută obişnuit din aliaje uşoare — de aluminiu, mai rar de magneziu şi din fontă. Pistoanele de fontă se folosesc la motoare cu turaţie relativ redusă, mai ales la autocamioane. La unele motoare se folosesc pistoane de oţel. Avantajele principale ale pistoanelor executate din aliaje uşoare sînt următoarele: - greutate mică (greutatea specifică a fontei este 7,3, a aliajului de aluminiu, în funcţie de compoziţia sa ajunge plnă la 2,9, cea a aliajelor de magneziu — 1,8), greutatea unui piston de aluminiu este cu 25—30% mai mică decît greutatea unui piston de fontă de aceleaşi dimensiuni); - un coeficient mic de transmisie a căldurii de la gazele de ardere (cu 30% mai mic decît la fontă); - conductivitate termică mare (de 4—5 ori mai mare decît la fontă); 42
- pierderi de energie mecanică mai mici prin frecarea pistonului cu pereţii cilindrului, în comparaţie cu pistoanele de fontă. Datorită temperaturii mai mici a pistoanelor de aliaje uşoare, folosirea lor la motoare asigură posibilitatea de mărire a raportului de compresie, precum şi îmbunătăţirea condiţiilor de umplere, datorită preîncălzirii mai reduse a amestecului în timpul de admisie. Aliajele uşoare prezintă următoarele particularităţi care influenţează construcţia pistoanelor, şi anume: - un coeficient ridicat de dilatare termică (de 2—2,5 ori mai mare decît cel al fontei); - scăderea rezistenţei la încălzire (rezistenţa pistoanelor executate din aliaj de aluminiu se reduce la t = 350°G cu 60—70%, în timp ce rezistenţa pistoanelor de fontă scade doar cu 18—20%). Construcţia pistoanelor.
Pistonul este format din: -
fundul 1, care preia presiunea gazelor;
-
capul 2;
-
mantaua 7. Suprafaţa laterală a capului are
canale în care se introduc segmenţii. în umerii pistonului 4 se Pistonul asamblat: / — fundul
află găuri în care se introduce
pistonului; 2 — capul pistonului;
bolţul. Mantaua 7 serveşte la ghi-
3 — segmenţii; i — umărul;
5 — bolţul; 6 — siguranţa Bolţului;
darea pistonului în cilindru şi la
7 — mantaua pistonului ;
transmiterea forţelor laterale la
S — nervuri.
peretele cilindrului.
Fundul pistonului poate să aibă diferite forme; concavă, convexă, plană sau profilată. Fundul concav îmbunătăţeşte forma camerei de ardere,apropiind-o de forma sferică, dar favorizează formarea de calamină din cauza acumulării de ulei pe fund, şi de aceea astăzi nu se mai foloseşte decît rareori la motoarele, cu 43
carburator Fundul bombat favorizează scurgerea uleiului care cade pe el şi de aceea formarea calaminei la aceste funduri este minimă. Cu toate acestea, pistoanele cu fundul bombat se folosesc de asemenea relativ rar, din două motive: - forma camerei de ardere, devine neraţională; - fundul are o temperatură mai ridicată decît la alte forme. Fundul plan este cel mai răspîndit, deoarece această formă permite să se evite neajunsurile fundului concav şi ale celui bombat, precum şi din cauză că este mai comod de realizat din punct de vedere tehnologic. Fundurile de formă profilată se folosesc pentru a dă camerei de ardere forme optime, în scopul asigurării unei funcţionării line a motorului fără detonaţie. Fundurile pistoanelor la motoarele în doi timpi au uneori o formă profilată specială; pe fund se face o vizieră numită deflector, care serveşte la ghidarea curentului de gaze în timpul baleiajului. Fundurile profilate se folosesc adesea şi la pistoanele motoarelor Diesel. Acest lucru se întîmplă atunci clnd camera de ardere este aşezată in fundul pistonului sau cînd forma profilată a fundului are ca scop să asigure turbionarea şi îmbunătăţirea condiţiilor de formare a amestecului. La motorul Diesel IAZ-204, fundul profilat al pistonului, care formează o parte a camerei de ardere, are o bordură inelară care acoperă pereţii cilindrului şi împiedică pătrunderea combustibilului la pereţii relativ reci ai cilindrului şi condensarea lui pe aceştia. Capul pistonului are pereţii laterali îngroşaţi şi în aceştia se află canalele pentru segmenţi. Canalele superioare servesc la introducerea segmenţilor de etanşare (de compresie), iar canalul inferior pentru segmentul de ungere (raclor).
44
Pe periferia canalului inferior se execută găuri care trec prin toată grosimea capului pistonului prin care uleiul ras de pe pereţi de către segmentul de ungere se scurge în carter. Deseori, în afară de canalele pentru segmenţi, în partea de sus a capului pistonului se mai prevede un şanţ îngust care asigură o oarecare izolare termică a segmentului superior, care se găseşte în zona cea mai încălzită a pistonului. Umerii pistonului transmit forţele preluate de piston şi de aceea, pentru a-i face mai rezistenţi, sînt prevăzuţi adesea cu nervuri sau adaosuri care îi leagă cu capul pistonului. Uneori umerii, deci şi axa bolţului, sînt puţin deplasaţi faţă de axa pistonului, astfel încît, în cazul în care bujia este aşezată lateral, se micşorează dezaxarea şi bătaia pistonului de
Pistonul motorului Diesel
cilindru în timpul arderii (exploziei).
asamblat eu biela
Pistoanele executate din aliaje uşoare trebuie să aibă o construcţie specială pentru a asigura un joc inie între piston şi pereţii cilindrului şi pentru aevita bătaia pistonului la motorul rece şi griparea pistonului datorită dilatării termice la motorul încălzit. In acest scop se recurge la spintecarea mantalei pistonului, folosirea unor plăci din material cu coeficient de dilatare mic care leagă mantaua, cum şi executarea unor pistoane cu formă ovală (în secţiune). Spintecarea mantalei o face să fie elastică şi acest lucru permite montarea pistonului cu un joc minim între manta şi oglinda cilindrului. La unele pistoane din aliaj de aluminiu, se face o tăietură pătrunsă, dar nu pe toată lungimea mantalei, ci numai pe o porţiune a acesteia. 45
Pistoanele cu mantaua spintecată se montează în cilindru
astfel încît
tăietura din manta să fie îndreptată spre acea parte a cilindrului în care nu apar presiuni laterale în timpul cursei utile. La motoarele rapide, la care forţele de inerţie pot să producă o presiune laterală considerabilă asupra unui perete al cilindrului, pistonul se aşază cu tăietura în partea peretelui opus. La unele motoare se folosesc pistoane din aliaj de aluminiu cu plăci de invar care leagă cele două părţi active ale mantalei. Invarul este un aliaj de oţel cu un conţinut ridicat de nichel (pînă la 37%). Coeficientul de dilatare al invarului este de aproximativ 20 de ori mai mic decât cel al aliajului de aluminiu. Datorită acestei proprietăţi, plăcile de invar limitează dilatarea mantalei pistonului. Uneori plăcile sînt executate din oţel carbon. Dînd mantalei pistonului o formă ovală, este posibilă aşezarea pistonului în cilindru cu un joc minim în planul de acţiune al forţelor laterale şi aceasta, la fel ca şi spintecarea mantalei, înlătură bătăile pistonului la motorul rece. în cazul acestei forme a mantalei pistonului, se asigură un joc uniform pe periferie între piston şi pereţii cilindrului la motorul în funcţiune, din cauza deformaţiilor pistonului provocate de forţele care acţionează asupra sa, precum şi datorită încălzirii. Forma ovală a pistonului se obţine prin rectificarea sa după şablon. Axa mare a elipsei este perpendiculară pe axa bolţului. Jocul la rece dintre piston şi peretele cilindrului nu trebuie să fie uniform pe înălţimea pistonului, deoarece temperatura pistonului este diferită pe înălţimea sa. Un joc diferit pe înălţime se asigură prin aceea că diametrul exterior al mantalei se face mai mare decît diametrul capului; trecerea de la diametrul maxim la cel minim poate fi lină cu formă conică, sau în trepte. Cînd mantaua este ovală, jocul se măsoară sub un unghi de 90° faţă de axa bolţului. Jocul se măsoară cu segmenţii scoşi prin tragerea cu anumită forţă a unui calibru lamelar special prins între piston şi cilindru. Grosimea calibrului, lungimea sa, ca şi forţa de tragere sînt indicate în instrucţiunile uzinelor constructoare. 46
Pentru îmbunătăţirea rodării pistoanelor în cilindri, suprafaţa pistoanelor se cositoreşte. Grosimea stratului de cositor este de 0,004—0,006 mm. Pistoanele se execută cu o toleranţă minimă în greutate. Segmenţii. La fiecare piston se prevăd segmenţi de compresie (de etan-şare)
şi segmenţi de ungere (raclori). Segmenţii asigură etanşeitatea camerei cilindrului şi nu permit scăparea gazelor din clindru în carterul motorului. Totodată segmenţii împiedică pătrunderea uleiului în camera de ardere, distribuind pelicula de ulei pe oglinda cilindrului. Prin segmenţi se evacuează căldura de la capul pistonului spre pereţii cilindrului. Numărul de segmenţi este mai mare ia motoarele Diesel decît la motoarele cu carburator. Aceasta se explică în special prin condiţiile de pornire ale motoarelor Diesel în care turaţia este mică şi camera cilindrului trebuie mai bine etanşată pentru a nu avea scăpări de aer comprimat şi pentru a asigura o temperatură suficientă pentru autoaprinderea combustibilului. Segmenţii se execută din fontă prin turnare individuală, fapt care asigură o structură granulară fină a fontei, rezistentă la uzură. Segmentul introdus în cilindru se aplică strîns pe pereţi datorită elasticităţii sale mari. Aplicarea strinsă a segmentului este favorizată şi de faptul că, în stare liberă, segmentul nu are o formă circulară şi de aceea distribuţia presiunilor segmentului pe pereţii cilindrului nu este uniformă, presiunea maximă fiind la tăietură. Prin această distribuţie a presiunilor segmentului pe peretele cilindrului se asigură o bună etanşeitate a camerei cilindrului. Segmenţii folosiţi înainte, cu distribuţia uniformă a presiunii, nu asigurau o etanşeitate suficientă, deoarece după o uzură oarecare presiunea segmentului se micşora mult în apropierea tăieturii. Segmenţii se execută cu tăieturi de trei tipuri: dreaptă, înclinată şi in trepte. Tăietura dreaptă asigură suficient etanşeitatea deoarece, din cauza duratei scurte a procesului, gazele nu au timpul să treacă prin tăieturile mai multor segmenţi. Din această cauză, în ultimul timp majoritatea motoarelor au segmenţi cu 47
tăietură dreaptă, deoarece aceştia se fabrică cel mai uşor. în cazuri foarte rare, excepţionale, se folosesc segmenţi de construcţie mai complicată. Segmentul montat în cilindru trebuie să aibă la tăietură un mic joc pentru a se evita griparea pistonului prin dilatare. între segment şi canal trebuie să existe un joc şi în înălţime. în timpul deplasării pistonului în cilindru, datorită acţiunii de pompare a segmenţilor, o cantitate oarecare de ulei pătrunde în camera de ardere. Când pistonul se deplasează în jos şi segmenţii sînt împinşi spre partea superioară a canalelor, jocul din partea de jos se umple cu ulei. La întoarcerea pistonului, segmenţii sînt împinşi spre partea inferioară a canalelor şi trimit uleiul în sus. Astfel datorită frecării dintre segment şi cilindru şi forţei de inerţie, segmenţii sînt presaţi succesiv pe partea superioară şi pe cea inferioară a canalelor, pompând uleiul spre camera de ardere. Afară de aceasta, uleiul mai poate să pătrundă în camera de ardere datorită căderii de presiune în timpul admisiei. Uleiul care intră în camera de ardere, arde în parte formînd calamină. Pentru a limita pătrunderea uleiului în camera de ardere, se montează segmenţii de ungere (radare). Segmenţii de ungere (radare) au de cele mai multe ori fante pătrunse care
se frezează la anumite intervale pe întreaga circumferinţă.
Excesul de ulei colectat de pe pereţii cilindrului trece prin aceste fante şi apoi,
prin
găuri
corespunzătoare practicate în corpul
pistonului, se
scurge înapoi în carter. Adeseori, suprafeţele laterale ale segmenţilor se prelucrează conic, iar marginele se fac fie cu faţetă, fie cu retragere etc, din care cauză segmentul se strîmbă puţin, fapt care contribuie la o mai rapidă rodare a segmentului, deoarece în prima perioadă el atinge cilindrul numai cu muchia. Pentru îmbunătăţirea rodării, suprafeţele cilindrice exterioare ale segmenţilor se acoperă cu un strat de cositor cu grosimea pînă Ia 0,01 mm. Segmenţii care au faţete sau retrageri trebuie aşezaţi în canalele pistonului 48
într-o poziţie bine determinată. Pentru aceasta, pe una din părţile segmentului se execută un semn sau o inscripţie. Cînd acestea nu există, segmentul trebuie aşezat după indicaţiile date de uzină. Segmentul de compresie superior, care, în comparaţie cu ceilalţi segmenţi,lucrează in condiţii termice mai grele, se uzează mai repede. La unele construcţii, între segmenţi şi peretele canalului din piston se introduce un inel elastic de oţel, denumit extensor. Acest inel, care apasă segmentul pe cilindru, face ca etanşeitatea să fie păstrată chiar atunci cînd segmentul a fost puternic uzat şi elasticitatea lui s-a micşorat. Extensorul se poate monta atît la segmenţii de compresie cît şi la segmenţii de ungere, cu excepţia segmentului superior de compresie, la care, dată fiind temperatura ridicată a zonei de lucru, extensorul nu funcţionează satisfăcător. Bolţul pistonului serveşte la îmbinarea pistonului cu biela. Prin bolţ se
transmit forţe importante şi de aceea el se execută din oţel de bună calitate: cu crom, cu un conţinut ridicat de carbon etc. Pentru obţinerea unei rezistenţe mari la uzură, suprafaţa exterioară a bolţului se cementează sau se căleşte prin curenţi de înaltă frecvenţă. Adlncimea cementării sau a călirii superficiale se face între limitele de 0,7—1,5 mm. După tratamentul termic, suprafaţa exterioară a bolţului este rectificată. După procedeul de îmbinare cu biela şi cu pistonul, bolţurile sînt: 1) flotante; 2) fixate în capul bielei; 3) fixate în umerii pistonului. Cele mai răspîndite bolţuri sînt cele flotante, adică cele care se rotesc liber atît în capul bielei cît şi în umerii pistonului, deoarece această construcţie asigură uzarea uniformă pe întreaga suprafaţă a bolţului. La rece, la o temperatură de 10 — 30°C, bolţul se introduce în bucşa capului superior al bielei cu un mic efort. Pentru aşezarea bolţului în umerii pistonului, acesta se încălzeşte pînă la o temperatură de 70—75°G. Pentru a evita 49
deteriorarea oglinzii cilindrului de către bolţul flotant, deplasarea axială a acestuia este limitată în majoritatea cazurilor cu ajutorul unor opritoare elastice, introduse în canalele din umerii pistonului, de ambele părţi ale feţelor bolţului. Mai rar se aşază pe feţele bolţului flotant, in umerii pistonului « ciuperci » din aliaje moi. La o deplasare axială a bolţului, ciupercile, venind în contact cu oglinda cilindrului, nu o deteriorează. Bolţurile fixate în capul bielei trebuie să se poată roti în umerii pistonului. Pentru aceasta, în umerii pistonului se presează de obicei bucşe de bronz. Pentru o bună fixare a bolţului în capul bielei, acesta se face secţionat şi se strânge cu un şurub, care opreşte deplasarea axială a bolţului, ca şi rotirea lui în capul bielei. Procedeul fixării bolţului în umerii pistonului se foloseşte foarte rar deoarece nu este suficient de sigur. Biela. Cînd bolţul nu se fixează rigid în piciorul bielei, în el se presează o bucşă şi se prevede o gaură sau o tăietură pentru ungere. Tija bielei are de obicei secţiunea I. Dacă bolţul de bielă este uns sub presiune, în lungul tijei bielei se execută un canal pentru debitarea uleiului. Capul bielei este de regulă secţionat şi capacul lui se fixează cu două sau patru şuruburi prizoniere sau cu şuruburi. în unele cazuri bielele se fac asimetrice prin deplasarea capului. La o astfel de construcţie a bielelor lungimea motorului se reduce, deoarece se micşorează distanţa dintre axele cilindrilor. In ce priveşte uniformitatea uzurii în lungime a fusurilor de bielă ale ar borelui cotit, se obţin rezultate mai bune la folosirea bielelor simetrice. La bielele unor motoare, la piciorul lor este executat un orificiu de diametru mic (1,0—1,5 mm); în timpul funcţionării motorului, prin acest orificiu este aruncat un jet de ulei cu care sînt unse camele arborelui de distribuţie şi, parţial, pereţii cilindrului. Capul are de obicei un lagăr de alunecare. Suprafaţa interioară a lagărului se 50
acoperă cu un strat de compoziţie pentru lagăre (aliaj de plumb, staniu şi antimoniu), sau de bronz cu plumb (la presiuni specifice mari) etc, pentru micşorarea frecării. Stratul de compoziţie pentru lagăre este turnat fie direct pe partea dinăuntru a capului bielei, fie pe cuzineţi speciali. Pentru a elimina jocul la uzura lagărelor de bielă, între cele două jumătăţi ale capului bielei se folosesc adaosuri subţiri de reglaj. Pe măsură ce se uzează lagărul, se scoate o parte din aceste adaosuri şi capacul se strînge. Cînd se ajunge la o uzură mare sau ,cînd se topeşte compoziţia de pe lagăre, ea trebuie returnată, suprafaţa urmînd să fie prelucrată din nou.
Bielă: I — capul superior; 2 — tija bielei; 3 — capul Inferior.
Actualmente se folosesc cuzineţi interschimbabili cu pereţi subţiri, care au căpătat o largă răspîndire. Asemenea cuzineţi se matriţează din bandă subţire de oţel calibrată, acoperită de o parte cu un strat subţire de compoziţie de lagăre. Cuzineţii sunt fixaţi împotriva deplasării prin proeminenţe pătrund în locaşuri speciale, frezate în bielă şi în capac . Stratul subţire de compoziţie asigură o funcţionare bună a cuzineţilor, deoarece el nu se tasează aproape deloc.
De aceea, la montarea unor lagăre
avînd cuzineţi cu pereţi subţiri, în majoritatea cazurilor nu se mai folosesc garnituri pentru strângere ulterioară. La uzura lagărului cuzineţii se înlocuiesc cu alţii noi, pentru fiecare motor 51
fiind prevăzut un grup de cuzineţi cu 4 — 5 dimensiuni diferite de reparaţie, în funcţie de uzura fusului arborelui cotit, fapt care simplifică în mod substanţial repararea motorului. Bielele se execută cu o toleranţă minimă la greutate. Pentru fiecare motor se aleg grupele de biele cu pistoane avînd aproximativ aceeaşi greutate. Această alegere a grupei bielă-piston după greutate este necesară pentru asigurarea unui echilibraj bun al motorului. Pe capul bielei este imprimată o marcă ce indică numărul de ordine al cilindrului căruia îi este destinată biela respectivă. Aceeaşi marcă este imprimată şi pe capacul capului inferior. Acest lucru este necesar pentru un montaj corect, deoarece găurile pentru cuzineţi din capul bielei se alezează cu biela asamblată cu capacul.
VI. CONCLUZII Chiar dacă este o piesă de o complexitate redusă, cu dimensiuni şi greutate relativ mici, biela, prin rolul pe care îl are, de a servi la transmiterea forţei de la piston la arborele cotit este o piesă importantă, parte a ansamblului bielă-piston şi a mecanismului bielă-manivelă. Datorită faptului că, în timpul funcţionării, este supusă unor sarcini variabile datorate presiunii gazelor şi forţelor de inerţie, existând pericolul de compresiune sau flambare ce au drept consecinţă accelerarea uzurii lagărelor, biela trebuie să aibă o mare rezistenţă şi rigiditate, calităţi obţinute prin alegerea materialului şi a tehnologiei de fabricare. Având în vedere avantajele pe care le oferă, cel mai adecvat material folosit pentru construcţia bielei s-a dovedit a fi oţelul îmbunătăţit cu carbon, alături de oţelurile aliate (crom, mangan, molibdem, nichel, vanadiu). Bielele fabricate din aceste oţeluri au calitatea de aplicabilitate generală, faţă de cele fabricate din fontă (cu aplicabilitate limitată), din bronz sau din aliaje speciale de aluminiu, care, datorită costului de producţie ridicat, sunt folosite numai în cazul motoarelor de mare turaţie, fiind mult mai uşoare decât cele din 52
oţel. Pentru creşterea eficacităţii şi a randamentului, pentru obţinerea semifabricatului care urmează a fi prelucrat trebuie să se ţină seama de următorii factori economici şi tehnici, astfel: -
forma semifabricatului să fie cât ma aproape de forma finală;
-
adaosurile de prelucrare să fie cât mai mici;
-
luarea tuturor măsurilor pentru prevenirea apariţiei defectelor
de orice natură; -
timpul de realizare să fie cât mai scurt;
-
să se ţină seama de volumul producţiei. După stabilirea condiţiilor tehnice în ceea ce priveşte materialul folosit şi
respectarea condiţiilor impuse de factorii economici şi tehnici, în cazul semifabricatului, se execută fluxul tehnologic de fabricare a bielei, în sistem industrial, care constă într-o succesiune de operaţii mecanice (conform tabelului de la p. 28) executate cu un număr relativ mare de maşini-unelte (specificate în acelaşi tabel).
În efectuarea calculului pentru prelucrarea a unui număr de 100.000 biele/an am ales ca material oţelul carbon, acesta fiind cel mai des uzitat, datorită folosirii generale a bielelor confecţionate din acest material, rezultatul fiind o piaţă largă de desfacere. De
asemenea,
am
ales
în
procesul
tehnologic
folosirea
semifabricatului în varianta în care corpul şi capacul bielei fac corp comun, prin matriţare, considerând că acest tip este cel mai adecvat datorită faptului că prin operaţiunile de broşare, demagnetizare şi rectificare simultană (corp şi capac) se reduce substanţial timpul necesar prelucrării unei piese.
53
54
55