Biela reprezinta un subansamblu ale carui elemente se arata in figura 1

-piciorul bielei

-bucsa bielei

-corpul bielei

-suruburile de biela

-capul bielei

-cuzinetii de biela

-piulite

-capacul bielei

2 Constructia bielei. Alegerea materialelor

Figura 2

Constructia piciorului bielei este determinata de dimensiunile boltului si de modul de imbinare piston-bolt-biela. In cazul boltului flotant piciorul bielei este rigid.

La partea superioara a bielei se prevede o anumita proeminenta pentru ajustarea masei. Pentru rigidizare se mareste raza de racordare intre piciorul si corpul bielei.

Uleiul pentru ungerea boltului este adus printr-un orificiu practicat in piciorul bielei. Pentru marirea eficientei ungerii in bucsa se practica o degajare care formeaza un rezervor de ulei. La boltul flotant in piciorul bielei se introduce o bucsa de bronz cu strangere.

Aceasta bucsa se poate realiza din bronz cu aluminiu, bronz cu plumb sau bronz cu staniu.

Se adopta bucsa din bronz cu aluminiu: CuAl9Fe3 (STAS 198/2-81) cu rezistenta la tractiune s_r= 400 MPa.

Bucsa se monteaza cu strangere in picior (max 0,05 mm).

Principalele dimensiuni ale piciorului bielei se adopta la urmatoarele valori:

Tabelul 1

In mod obisnuit corpul bielei are sectiunea "dublu T" ceea ce corespunde conditiei de egala solicitare la flambaj. Corpul si capetele bielei se racordeaza cu raze cat mai mari in ambele plane, obtinand in acest fel o repartizare mai uniforma a tensiunilor si o marire a rezistentei la oboseala. Pentru a se realiza o trecere continua sectiunea este variabila la lungimea bielei, marindu-se mai ales inima sectiunii de la picior catre capul bielei.

Fata de conditiile de lucru, pentru materialul bielelor se impun o serie de cerinte: rezistenta mare la oboseala si la solicitari cu soc (buna plasticitate); bune proprietati de forjare care sa asigure o repartizare corespunzatoare a fibrelor semifabricatului; stabilitate ridicata la operatiile de tratament termic.

Materialul cel mai adecvat pentru biele de motoare este otelul de imbunatatire cu continut mediu de carbon (0,350,45%). Se utilizeaza in acest scop otelul carbon de calitate sau oteluri aliate cu crom, mangan, molibden, nichel, vanadiu.

Se adopta ca material pentru constructia bielei otelul aliat:40Cr10 cu limita de curgere s_c= 780 MPa si rezistenta la rupere s_r= 980 MPa (STAS 791-88)

Dimensiunile principale ale corpului bielei se adopta la urmatoarele valori:

Tabelul2

Alte dimensiuni:

Tabelul 3

Capul bielei este sectionat iar capacul se imbina cu 2 suruburi. Sectionarea se face dupa un plan normal pe axa bielei. Forma cilindrica este asigurata de partea ingrosata a surubului de biela.

Pentru rigidizare capacul bielei se prevede cu nervuri si un exces de material pentru ajustarea masei bielei.

Dimensiunile utilizate sunt:

Tabelul 4

Pentru stabilirea distantei dintre axele surubului este necesara cunoasterea diametrelor acestora.

Suruburile de biela servesc pentru asamblarea capacului pe capul bielei.

In timpul functionarii, suruburile sunt supuse solicitarilor variabile provocate de fortele de inertie care se suprapun fortelor de prestrangere ale suruburilor care le solicita la intindere. Caracterul solicitarii fiind variabil se acorda o mare atentie maririi rezistentei la oboseala, ruperea lor determinand avarii grave ale motorului.

Din aceasta cauza suruburile bielei prezinta unele particularitati. Capul surubului are o forma speciala pentru a facilita montajul. Pentru centrarea capacului capul surubului este prevazut cu o parte proeminenta. Trecerea de la cap la corpul surubului si spre partea filetata se face cu o raza mai mare de 0,2 din diametrul surubului. Pentru obtinerea unei rigiditati bune a surubului, diametrul acesteia se recomanda a fi de 0,120,20 din diametrul fusului maneton.

Pentru a asigura suruburile contra desfacerii se utilizeaza sigurante din tabla comune sau individuale, cui spintecat sau contrapiulita. Se adopta solutia de asigurare prin sigurante din tabla individuale.

Ca materiale pentru suruburile de biela se utilizeaza in marea majoritate a cazurilor otel de imbunatatire aliat cu crom, mangan, molibden, nichel. Se adopta otelul cu marca 34MoCrNi16 cu limita de curgere s_c= 1000 MPa si rezistenta la rupere s_r= 12001400 MPa.

Predimensionarea suruburilor se face din conditia de rezistenta la solicitarea de tractiune.

(1)

cu c_c=3 - coeficientul de siguranta la curgere.

F_ - forta care actioneaza asupra unui surub in timpul functionarii motorului.

F_S=(2,153,25) [m_j(1+L) +(m₂-m_c)]rw /2 [N] (2)

cu m_j=0,8685 kg- masa in miscare de translatie

m₂=0,482 kg - masa bielei care efectueaza miscarea de rotatie

m_c=(0,250,30) m_B - masa capacului

Adopt m_c=0,28·m_B=0,28· 0,6793=0,1902 kg

m_B=0,6647 kg - masa bielei

L

r=44,25 mm - raza manivelei

w= 660 rad/s - viteza unghiulara a arborelui cotit in regim de turatie maxima.

Se adopta

F_S=2,15 [m_j(1+L) +(m₂-m_c)]rw

- 0,1902)]·44,25·10^-3·660²/2=29382 N (2')

Avand din calcul d_s=9,878 mm se adopta surubul de biela cu filet M 10 cu pasul de 1 mm cu caracteristicile:

Pentru obtinerea unui gabarit redus al capului bielei se impune ca grosimea peretelui interior h_i 1,5mm. Se adopta h_i=1,5mm.

Cunoscute fiind aceste date distanta dintre axele suruburilor se determina cu relatia:

l_c = d_c +2h_i + d_s' =64+2·1,5 +10 = 77 mm

Cuzinetii sunt piese semicilindrice care imperecheate captusesc lagarul format de capacul bielei pentru a permite o miscare de rotatie cu rezistente cat mai mici. Cuzinetul e alcatuit dintr-o carcasa de otel avand aplicat pe suprafata de alunecare un material antifrictiune.

Functionarea cu uzura minima se obtine cand intre cuzinet si fus se asigura un strat de ulei, care nu permite contactul direct intre asperitatile suprafetelor in frecare. Uleiul necesar ungerii cuplei cuzinet-fus maneton provine din canalizatia de ungere practicata in arborele cotit.

Pentru evitarea rotirii cuzinetului care ar duce la obturarea orificiului de ungere, acesta este prevazut cu un pinten de fixare.

3 Calculul de rezistenta al bielei

3.1 Calculul piciorului bielei

Asupra piciorului bielei actioneaza mai multe forte :

- forta de inertie a grupului piston (F_i) care are valoarea maxima cand pistonul se gaseste in pmi la inceputul cursei de admisie.

Aceasta forta maxima se determina cu relatia:

F_i=m_gprw L) =0,6858·44,25·10^-3· 660²(1+1/3,37)=17141 N (4)

cu m_gp=0,6858 kg - masa grupului piston

- presiunea p_f care apare datorita imbinarii cu strangere a bucsei antifrictiune;

- forta rezultanta (F_c) data de forta de presiune a gazelor (F_p) si forta de inertie (F'_i), adica:

F_c=F_p+F'_i (5)

cu

F_p=pD²/4(p_cil-p_cart)  (6)

F'_i= m_gprw (cosa_y Lcos2a_y (7)

Forta F_c are valoare maxima pentru p_cil = p_max= 5,181 MPa

Deci:

F_c= pD²/4(p_cil-p_cart) + m_gprw (cosa_y Lcos2a_y

=p 92²/4(5,181-0,1)-0,6858 ·44,25 ·10^-3 ·628,3²(cos360 +

+(1/3,37 )cos2·360)=14226 N` (5')

cu D=92 mm - alezajul cilindrului

p_cart=0,1 MPa - presiunea din carterul inferior al motorului

w=628,3 rad/s - viteza unghiulara a arborelui cotit la turatia de putere maxima

a_y'= 360 °RAC unghiul corespunzator presiunii maxime

Datorita faptului ca fortele F_i si F_c sunt variabile in timp se impune un calcul la oboseala al piciorului.

Calculul piciorului bielei consta in determinarea unui coeficient de siguranta la oboseala si compararea acestuia cu valoarea coeficientului de siguranta impus.

3.1.1Calculul tensiunilor datorate fortei F_i

Se fac urmatoarele ipoteze simplificatorii:

-se considera ca F_i se distribuie uniform pe jumatatea superioara a piciorului bielei, de-a lungul diametrului mediu;

-se schematizeaza piciorul sub forma unei bare curbe, cu sectiunea dreptunghiulara constanta incastrata in zona de Figura 5

racordare dintre picior si cap.

Unghiul care marcheaza inceputul racordarii se determina constructiv (j

Raza medie a piciorului bielei se determina cu relatia:

r_m=(d_e+d_i)/4=(38+28)/4 = 16,5 mm (8)

Pe baza primei ipoteze si a conditiei ca forta F_i sa fie uniform distribuita:

(9)

se determina expresia sarcinii uniform distribuita:

Figura 5

q=F_i/(2·r_m) =17141/(2·16,5)=519 N/mm (9')

Luand in considerare simetria barei si incarcarilor fata de axa bielei, se poate lua in studiu doar jumatate din bara. In sectiunea de simetrie apar eforturile static nedeterminate N₀ si M₀. Dupa ridicarea nedeterminarii se gasesc eforturile N₀ si M₀ cu relatiile:

(10)

(10')

in care

;

(11)

cu j_cI

N₀=k₁·F_i·10^-3= 472,32 ·17141 · 10^-3 =8096 N (12)

M₀=k₂·F_i·r_m·10^-3=8,74·17141·16,5·10^-3=2471 Nmm (12)

Avand valorile lui N₀ si M₀ din sectiunea de simetrie a bielei , se pot calcula valorile fortei axiale N_ si momentului M_ in orice sectiune a piciorului bielei. Se folosesc relatiile:

-pentru jI p/

N_j=N₀cos j + (F_i/2) (1-cosj

(13)

M_j=-M₀-r_m (N₀-F_i/2)(1-cosj

-pentru jI p/ j_c

N_=N₀cos j + (F_i/2) (sinj -cosj

(14)

M_j=-M₀-r_m N₀(1-cosj)+ (r_m F_i /2)( sinj -cosj

Tabelul 5

Avand eforturile N_ si M_ se pot determina tensiunile (s_e)in fibrele exterioare (r=r_e=d_e/2) si tensiunile (s_i) din fibrele interioare (r=r_i=d_i/2), pe baza teoriei barelor cu raza mica de curbura, folosind relatia:

Figura 6

(15)

in care:

h=(d_e-d_i)/2=(38-28)/2=5 mm - grosimea peretelui piciorului

b=30 mm- lungimea piciorului

k- coeficientul ce tine seama de faptul ca o parte din forta axiala N_j e preluata de bucsa presata in piciorul bielei

(16)

cu E_b=1,15 ·10⁵ MPa modulul de elasticitate al materialului bucsei;

E =2,1 ·10⁵ MPa modulul de elasticitate al materialului bielei

h_b=2 mm - grosimea peretelui bucsei;

Tabelul 6

3.1.2 Calculul tensiunilor datorate montarii cu strangere a bucsei

La strangerea s₀ care apare la montajul bucsei in piciorul bielei, se adauga strangerea s_t datorata temperaturii.

Strangerea totala s₀ +s_t determina pe suprafata de contact dintre bucsa si piciorul bielei o presiune p_f.

Strangerea s₀ se determina cu relatia:

s₀=(d_emax - D_imin)/2=(28,015 - 28)/2= 0,0075mm (17)

cu d_e=mm - diametrul exterior al bucsei

D_i=mm - diametrul interior al alezajului din piciorul bielei

Strangerea s_t se calculeaza cu relatia:

s_t=d₀(a_b a)(t-t₀)/2=29·(18-10)·10^-6(125-15)/2=0,01276 mm (18)

cu d₀=d_enominal=29 mm

a_b=18·10^-6 °C^-1- coeficientul de dilatare termica al bucsei

a=10·10^-6 °C^-1 - coeficientul de dilatare termica al bielei

t=100150 °C -temperatura de regim; se adopta t=125°C

t₀=15 °C- temperatura de montaj

Considerand ansamblul bucsa-picior biela ca fiind doua tuburi fretate, se determina presiunea p_f cu relatia:

(19)

unde

d_e=28 mm

d_i=24 mm

D_e=38 mm

D_i=28 mm

n=n_b=0,3 coeficientul lui Poisson

Tensiunile care iau nastere in piciorul bielei datorita presiunii p_f se determina cu relatiile tuburilor cu pereti grosi supus la presiunea interioara:

[MPa] (20) Figura 6

cu r_e=19 mm - raza exterioara a piciorului bielei

r_i=14 mm - raza interioara a piciorului bielei

rI[r_i, r_e] - o raza oarecare.

Se va obtine:

Tabelul 7