Componenta motorului cu ardere internă, denumită de mulți doar arborele cotit, este una dintre componentele motorului cu ardere internă, care sunt adesea menționate în limbajul comun, dar de obicei se știe puțin despre cunoștințele lor tehnice.

Arborele cotit este adesea menționat ca cea mai importantă parte a motorului cu ardere internă, iar stabilitatea funcționării acestuia afectează aproape toate celelalte componente din jurul său. În acest articol, puteți citi despre structura, producția și materialele arborelui.

Descriere generală și design

La motorul cu ardere internă, cuplul este trimis la antrenare prin arborele cotit și apoi prin ambreiaj. Deoarece acesta este în esență primul element al motorului care efectuează deja o mișcare de rotație, este și prima componentă care absoarbe forțele din mișcarea alternativă a ansamblului piston - bielă și o transmite sub formă de cuplu adecvat pentru lucru.

Se poate afirma fără exagerare că arborele cotit formează coloana vertebrală a motorului, designul său determină structura motorului, în același timp, este componenta structurală a sursei de energie care îndeplinește cele mai diverse sarcini și, prin urmare, este utilizată în cel mai versatil mod.

Forma arborelui cotit este determinată în primul rând de numărul de cilindri ai motorului, de modul său de funcționare și de secvența de aprindere.Ambielajul, care sunt adesea aranjate spațial, fac arborele extrem de articulat și complicat în structură, care trebuie să fie încorporat, uns, echilibrat și conectat. Parametrii de proiectare și geometrici sunt în principiu determinați de limitările tehnologiei actuale de producție. Chiar dacă două motoare au aceeași cursă, distanță între cilindri, număr de cilindri și rulmenți, arborii lor cotiți pot fi totuși diferiți dacă sunt fabricați folosind tehnologii de fabricație diferite (de exemplu, prin proces de decapare, forjare sau turnare).

Factori de stres

Tensiunile primare asupra arborelui cotit al unui motor cu ardere internă provin în principal din forțele periodice de gaz și masă rezultate din funcționarea motorului. Considerarea lor este complicată de faptul că sunt diferite nu numai în fiecare punct al arborelui cotit, ci și în fiecare poziție a acestuia. Deoarece forfecarea nu este luată în considerare, tensiunile principale de încovoiere și răsucire sunt de obicei suprapuse una peste alta.

Arbore cotit (Sursă: www.wikipedia.org)

Forțele de gaz care acționează asupra arborelui cotit se modifică pe măsură ce unghiul de rotație al arborelui se modifică. Ca rezultat, se modifică și cantitatea de cuplu de lucru care trebuie convertită din forțele gazului. Acesta este egal cu zero în punctul mort, dar valoarea maximă care încarcă arborele cotit depășește de multe ori cuplul nominal al motorului. Prin urmare, se poate observa că în timpul funcționării motorului, arborele cotit este expus în mod regulat la stres semnificativ mai mare decât performanța medie a motorului. În plus, stresul suplimentar provine din forțele de masă, mai ales în cazul motoarelor de rotatii mari și datorită flexibilității arborelui, volantul este supus și de cuplul suplimentar al efectului de rotație. Literatura tehnică numește totalitatea solicitărilor suplimentare asupra arborelui cotit peste cuplul nominal sarcina oarbă de ordinul întâi sau cuplul orb.

Din denumire, se poate ghici că, pe lângă cuplul de ordin întâi, există și un cuplu orb de ordin doi, care este suma sarcinilor rezultate din oscilații de torsiune, transversale sau longitudinale țxcitate de înaltă frecvență în funcție de turația motorului.

Din punct de vedere static, arborele cotit este un suport nedeterminat cu rulmenți în mai multe locuri. Cu ajutorul așa-numitelor ecuații Clapeyron, este posibil să se determine reacțiile lagărelor, dar în același timp, rezultatul final al calculului lung și complicat este încă incert, deoarece carterul care include locațiile lagărelor este flexibil, chiar dacă într-o măsură mai mică decât arborele cotit și se deformează împreună cu acesta sub sarcină.

Procesul de proiectare este și mai complicat atunci când se ia în considerare dezalinierea știfturilor principale și a găurilor principale. Aceste calcule pur teoretice provoacă o durere de cap serioasă și în prezent, așa că designerii folosesc condiții simplificatoare bazate pe experiența dobândită din funcționarea arborilor cotiți dovediți și eșuați din trecut.

În general, este o risipă de energie să te cufunzi complet în calculul teoretic al arborilor cotit. Pe baza proiectelor anterioare, cel mai important lucru este determinarea tensiunilor de vârf, adaptarea metodologiei construcțiilor dovedite în trecut și efectuarea calculelor oscilante pentru a elimina vitezele de rezonanță periculoase.

Producție și selecția materialelor

Producția elementului structural depinde de proiectarea acestuia, care, la rândul său, depinde de dimensiunea acestuia. Producția arborelui cotit al unui motor mic în doi timpi, cu un singur cilindru sau a unui motor diesel mare, de rotatii mici, cu multe ambielaje, necesită o tehnologie complet diferită. Singura lor caracteristică comună este că toate sunt realizate într-un design împărțit.

După cum am menționat mai devreme, metodele de fabricație diferite vor avea ca rezultat arbori cotit diferiți, chiar și cu aceiași parametri inițiali. De aceea, este clar justificată implicarea în proiect a specialiștilor de producție în fazele incipiente de planificare, care sunt competenți în a determina dacă ideea proiectantului este fezabilă din punctul de vedere al tehnologiei de producție disponibile.

Arbore cotit forjat (Sursă: www.wikipedia.org)

Cel mai simplu și, în același timp, cel mai costisitor proces este procesul de decupare sau aschiere atunci când arborele este format dintr-o bară solidă, cilindrică. Nu numai că are ca rezultat o pierdere uriașă de material și timp, dar pierderea rezistenței din cauza fibrelor tăiate în timpul tăierii este un dezavantaj serios în ceea ce privește capacitatea portantă a materialului. Se folosește pentru osii produse în număr mai mic, folosind oțeluri de structură nealiate.

Turnarea este opusul tehnologiei anterioare. Procesul este semnificativ mai rapid și are o rată mai bună de utilizare a materialului. Știfturile osiei turnate au caracteristici bune de rulare chiar și fără post-procesare și contragreutățile nu trebuie să fie întărite ulterior. Acestea sunt de obicei realizate din fontă nodulară sau oțel turnat special.

A treia soluție este forjarea, care este o soluție foarte populară pentru producția de arbori cotiți în plan. Pentru motoarele de vehicule mai mici, oțelul nealiat care conține 0,45-0,5% carbon poate fi rafinat la 8-900 MPa. Utilizarea unor aliaje semnificativ mai scumpe crom-nichel, molibden sau vanadiu-oțel este tipică pentru motoarele cu cerințe mai mari.