Prof. Univ. Dr. Ing. SĂRĂCIN ION MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ (NOTE de CURS)

Transcriere

1 Prof. Univ. Dr. Ing. SĂRĂCIN ION MAȘINI, MOTOARE TRANSMISII PENTRU BAZA ENERGETICĂ (NOTE de CURS) 08 3

2 CUPRINS. Maşini electrice...5. Pompe şi motoare hidrostatice Motoare termice Sistemul de alimentare Sistemul de aprindere Sistemul de ungere Sistemul de răcire Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor Transmisii folosite în construcţia bazei enetgetice pentru agricultură Transmisii prin curele Transmisii prin lanţuri Transmisii cardanice Ambreiajul principal Cutia de viteze Diferențialul...7 BIBLIOGRAFIE

3 . Maşini electrice. Definiţii. Clasificarea maşinilor electrice Prin maşină electrică se înţelege un ansamblu de corpuri solide, în general mobile relativ, în care se plasează un sistem de înfăşurări cuplate între ele electric, magnetic, sau electric şi magnetic. Prin intermediul acestui ansamblu, energia electrică trece în energie mecanică şi invers sau în energie electrică de altă formă.[34]. După natura cuplajului se deosebesc: maşini electrostatice la care intervine doar cuplajul electric al înfăşurărilor, maşini electromagnetice la care cuplajul circuitelor este de natură magnetică, câmpul magnetic fiind produs de electromagneţi şi maşini magneto-electrice caracterizate tot prin cuplajul magnetic al înfăşurărilor, câmpul magnetic fiind produs prin intermediul magneţilor permanenţi. Importanţă practică prezintă în primul rând maşinile de tip electromagnetic. După modul de transformare al energiei se disting maşini generatoare care primesc energia sub formă mecanică şi o transmit exteriorului sub formă de energie electromagnetică şi maşini motoare la care se inversează sensul de circulaţie al energiei. Maşinile electrice de construcţie normală sunt cu partea mobilă rotitoare. Dacă armăturile feromagnetice ce înglobează înfăşurările cuplate electric şi magnetic sau numai magnetic sunt imobile, se obţine un caz limită de maşină electrică, transformatorul electric, prin intermediul căruia se transformă tensiunea şi intensitatea ce caracterizează energia electromagnetică, la aceeaşi frecvenţă. După natura curentului ce străbate înfăşurările, maşinile electrice se împart în maşini de curent alternativ (sincrone, asincrone sau fără colector), monofazate sau polifazate şi maşini de curent continuu. Din punct de vedere constructiv, la maşinile rotative normale se distinge o armătură feromagnetică cilindrică fixă numită stator şi o armătură mobilă concentrică numită rotor, plasată în interiorul statorului. Spaţiul de aer dintre armături se numeşte întrefier şi se notează cu. În stator şi în rotor de partea întrefierului sunt plasate o serie de conductoare legate potrivit, numite înfăşurările maşinii. În cele ce urmează se notează cu A (a), X (x), respectiv capetele de început şi sfârşit ale înfăşurărilor.[34] Pentru a evita producerea unor importante pierderi prin histereză şi curenţi turbionari, părţile feromagnetice în care câmpul magnetic variază în raport cu timpul, se execută din tole de oţel electrotehnic izolate între ele; părţile feromagnetice în care câmpul este constant se fac din tole sau masive (din fontă sau oţel). Dacă întrefierul este constant, avem de-a face cu maşina cu poli plini sau înecaţi (fig...), dacă pe periferia maşinii întrefierului este variabil maşina este de tip cu poli aparenţi (fig...). 5

4 Fig... Maşina electrică cu poli înecaţi.[34] Partea maşinii în care se produce câmpul de excitaţie (câmpul inductor), se numeşte inductorul iar partea maşinii în care câmpul magnetic induce tensiuni electrice, indusul. Rolul de inductor în poate juca atât statorul (fig...) cât şi rotorul. Când înfăşurările maşinii sunt străbătute de curenţi, se stabileşte câmpul magnetic rezultant al maşinii. Acesta se închide prin miezul feromagnetic stabilind pe periferia maşinii în mod obişnuit consecutiv poli de polarităţi diferite.[4,7] Fig... Maşina elecrică cu poli aparenţiă[4,7] La curent debitat de maşină nul, maşina funcţionează în gol, iar la curent diferit de zero, maşina funcţionează în sarcină. Înfăşurările inductorului pot fi sub formă de bobine plasate pe poli (înfăşurări concentrate fig...) sau plasate în crestături practicate în miezul feromagnetic (înfăşurări repartizate fig...). Înfăşurările indusului la maşinile actuale se aşează în crestături repartizate (fig..3.). 6

5 Fig..3. Rotor cu înfăşurări electrice repartizate[4] În (fig...) linia întreruptă parcurge circuitul magnetic al unei maşini cu poli aparenţi. Se disting în stator cei doi poli magnetici: polul nord N şi polul sus S, cu înfăşurările concentrate de excitaţie. Prin S, S, S3 s-au notat respectiv jugul statoric, Corpul polului şi talpa polară: K, K sunt muchiile tălpii polare şi distanţa dintre ele, arcul polar (lăţimea tălpii polare). Prin R s-au notat rotorul. Pentru a se închide, se observă că liniile de câmp magnetic străbat de două ori interfierul. De obicei maşinile electrice din motive de optimizare se fac simetrice după două axe. Axa de simetrie ce trece prin mijlocul unui pol se numeşte axa longitudinală (axa d); bisectoarea unghiului format de două axe longitudinale se numeşte axa transversală (axa q) sau neutră. Distanţa pe periferia indusului între două axe neutre consecutive se notează cu şi se numeşte lungimea pasului polar. În general maşina se execută cu p poli şi dacă se notează cu D diametrul indusului. p D (.) Maşinile electrice se execută cu ax vertical sau cu ax orizontal, într-o gamă mare de forme adecvate multiplelor şi variatelor domenii de utilizare, care să permită şi protecţia lor şi a personalului care le deserveşte (maşini deschise, protejate contra stropilor de apă, închise, capsulate, etc.), definite STAS.. Principiul de funcţionare al maşinilor electrice. Reversibilitatea maşinilor electrice Repartiţia câmpului magnetic inductor de-a lungul pasului polar depinde de construcţia maşinii. La maşinile cu poli aparenţi curba de repartiţie a componentei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar este de formă dreptunghiulară-curbilinie (fig..4.), la maşinile cu poli plini de formă trapezoidalcurbilinie. Din motive de optim se urmăreşte asigurarea unei repartiţii cât mai apropiate de o sinusoidală, obţinută fie prin plasarea potrivită a înfăşurării de excitaţie (la maşinile cu poli plini), fie prin variaţia interfierului sub talpa polară (la maşinile cu poli aparenţi) aşa cum se indică prin linia întreruptă în (fig..4.).[4] 7

6 Fig..4. Variaţia întrefierului şi repartiţia câmpului magnetic inductor sub talpa polară[4] Fie a un conductor de lungime l, la distanţa x, ce se deplasează cu viteza v în sensul indicat, faţă de un câmp magnetic de amplitudine B repartizat sinusoidal (fig..5.). Fig..5. Câmp magnetic cu repartiţie sinusoidală[4] Tensiunea electromotoare indusă în conductor uec Bx v (.) în care pentru repartiţia sinusoidală considerată, B x Bsin x. Alegând originea timpului t=0 la trecerea conductorului prin punctul de câmp nul (prin axa q), x vt Dnt şi conform (.), x pnt. Înlocuind în (.), u ec Blvsin pnt sau cum viteza unghiulară n, u ec Blvsin pt (.3) înlocuind pe uec de forma: u U sint (.4) ec ec unde este pulsaţia, rezultă: p (.5) 8

7 Distanţa x parcursă de conductor în timpul t îi corespunde un unghi la centru geometric, ; prin analogie unghiul ce fixează valoarea tensiunii t g e f induse se numeşte unghi electric. Avem evident: (.6) e p g Cum unghiul geometric dintre două axe d, q, consecutive este conform (.6) că unghiul lor electric este f x, rezultă p, se zice că axele sunt în cuadratură electrică. Dacă se înlocuieşte în (.5), şi, rezultă: f pn (.7) relaţie de bază ce leagă frecvenţa tensiunii induse de numărul de poli şi turaţia maşinii. Înseriind conductorul a cu un alt conductor b, plasat la distanţa de pasul polar, astfel încât să formeze o spiră, prin parcurgerea lor în sensuri contrare, t.e.m. la bornele spirei apare dublă faţă de tensiunea indusă într-un conductor (t.e.m. induse în cele două conductoare sunt egale şi de semn contrar iar sensurile de parcurgere ale conductoarelor sunt opuse).[4,3,36] Dacă una sau mai multe spire înseriate suprapuse se aşează pe un rotor ce se învârteşte între-un câmp magnetic constant şi se leagă electric capetele a, x, ale înfăşurării la două inele colectoare pe care calcă un sistem de perii (fig..6.), se obţine la perii o t.e.m. alternativă. n Fig..6. Legarea înfăşurărilor electrice la două inele colectoare[4,3] Conectând la inele un consumator maşina debitează un curent alternativ, funcţionând în regim de generator sau alternator monofazat. Dacă viteza de rotaţie este constantă curba de variaţie în raport cu timpul a tensiunii electromotoare induse repetă (rel..) repartiţia spaţială a componentei radiale a inducţiei magnetice din 9

8 interfier; dacă această repartiţie este sinusoidală, t.e.m. indusă variază sinusoidal în raport cu timpul.dacă pe o pereche de poli se plasează m înfăşurări egale, decalate cu unghiul la centrul, rezultă m t.e.m. induse defazate între ele cu rad.el. mp m Se obţine astfel o maşină m fazată. De regulă cele m înfăşurări se leagă în conexiune stea sau poligon. La conexiunea stea capetele de sfârşit se leagă împreună constituind punctul de nul al înfăşurării, la conexiunea poligon capătul de sfârşit al unei înfăşurări se uneşte cu capătul de început al următoarei.. În mod obişnuit se iau m=3 înfăşurări indicate simplificat în (fig..7.a) şi maşinile se numesc trifazate. Prin săgeţi s-au indicat axele înfăşurărilor. Tensiunile trifazice sunt defazate între ele simetric.[4,3,7,34] Fig..7. Înfăsurările electrice ale maşinilor electrice trifazate[4] În (fig..7.b) se indică curbele de variaţie în raport cu timpul ale t.e.m. induse u, u, u3 în înfăşurări la o repartiţie sinusoidală a câmpului magnetic pe pasul polar. Înfăşurarea trifazată se realizează atât în conexiune stea ca în (fig..8.a) cât şi în conexiune triunghi ca în (fig..9.a). Fi..8. Conexiunea stea a înfăşurărilor electrice[4] 0

9 Fig..9. Conexiunea triunghi Când tensiunile variază sinusoidal în timp se pot reprezenta în complex. În (fig..8.b şi.9.b) sunt indicate tensiunile de fază şi de linie pentru conexiunile stea şi triunghi; se vede că între tensiunile de linie U şi de fază Ut există relaţiile U 3U f la conexiunea stea şi la conexiunea triunghi. La conectarea unui consumator maşina debitează un curent alternativ trifazic (m-fazic) funcţionând ca generator de curent alternativ trifazat (m-fazat). Dacă capetele a, x ale înfăşurării din (fig..6.) se leagă la două lamele pe care calcă două perii aşezate astfel ca în (fig..0.), t.e.m. culeasă la aceste perii va fi de forma din figura..a (s-a considerat repartiţia câmpului inductor ca în fig..4.). U U f Fig..0. Legarea capetelor înfăşurării electrice la două semiinele colectoare Într-adevăr la peria A vine întotdeauna conductorul plasat sub acelaşi pol, deci în care t.e.m. indusă are în permanenţă acelaşi sens. La o înfăşurare formată din mai multe grupuri de spire (bobine), înseriate prin lamele şi dispuse pe întreaga periferie a maşinii, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, obţinându-se astfel o tensiune practic continuă (fig...b).

10 Fig... Tensiunea electromotoare rezultantă Ansamblul lamelelor constituie colectorul ce joacă rol de redresor mecanic. La conectarea periilor pe un consumator, maşina funcţionează în regim de generator de curent continuu. Cuplul care se dezvoltă la funcţionarea în regim de generator a maşinilor electrice, determinat de interacţiunea dintre câmpul conductor şi curentul indusului este de frânare, opus cuplului de rotaţie aplicat la arborele maşinii. La funcţionarea în regim de generator, puterea mecanică primită la arbore se transformă prin intermediul câmpului electromagnetic al maşinii, în putere electrică ce se transmite consumatorului conectat la bornele înfăşurării indusului. Dacă înfăşurarea indusului se conectează la o reţea absorbind un curent electric, din interacţiunea dintre curentul din indus şi câmpul inductor se stabileşte un cuplu ce determină rotaţia maşinii. Puterea electrică primită de la reţea se transformă în putere mecanică în baza căreia maşina este capabilă să antreneze în mişcarea maşinii unelte, instalaţii complexe, etc. acesta este regimul de motor electric al maşinii. Toate maşinile electrice verifică principiul reversibilităţii, potrivit căruia pot funcţiona atât în regim de motor cât şi de generator. Transformatorul electric este un modificator static al puterii electrice caracterizată prin anumite valori ale tensiunii şi intensităţii, tot în putere electrică la alte valori ale tensiunii şi intensităţii, sub aceeaşi frecvenţă.[34].3 Câmpul magnetic ale maşinilor electrice. În studiul maşinilor electrice se neglijează câmpurile magnetice produse prin intermediul variaţiei în raport cu timpul a câmpurilor electrice şi ecuaţiile ce exprimă legea circuitului magnetic în formă integrală şi diferenţială devin H dl ;roth J (.8) r r în care solenaţia r Jdl este integrală de suprafaţă a densităţii r Jdl a curentului de conducţie ce străbate o suprafaţă deschisă ce se sprijină pe curba închisă.

11 După cum o înfăşurare este străbătută de curent continuu sau curent alternativ, se obţine un câmp magnetic constant sau alternativ, fix faţă de înfăşurare, de o repartiţie oarecare a componenţei radiale a inducţiei magnetice pe pasul polar. Alimentând în curent continuu prin intermediul inelelor o înfăşurare plasată într-un rotor ce se roteşte, se obţine un câmp magnetic învârtitor pe cale mecanică. Dacă o înfăşurare m-fazată oarecare este străbătută de un sistem de curenţi alternativi, se obţine de asemenea un câmp magnetic învârtitor, pe cale electrică de amplitudine şi viteză în general variabile. Se presupune pentru simplificare că circuitul magnetic este nesaturat şi repartiţia pe pasul polar a câmpurilor magnetice create de înfăşurările de fază, parcurse de curenţi variabili oricum în timp, este sinusoidală (dacă repartiţia este nesinusoidală, se ia în consideraţie doar armonica fundamentală obţinută prin descompunerea în serie Fourier). Se consideră ca origine a distanţelor măsurate pe periferia maşinii, punctul în care inducţia magnetică produsă de înfăşurarea l trece prin zero. În acest caz se poate scrie pentru inducţia Bl(x,t) a fazei l într-un punct x al periferiei maşinii, la un moment dat, în cazul general al variaţiei oricum în raport cu timpul a curentului, Bl (x,t) B l (t)sin x, iar pentru inducţia magnetică produsă de faza în acelaşi punct B (x,t) B (t)sin x. - unghiul electric măsurat în radiani între axele înfăşurărilor l şi ; Bl(t), B(t) mărimi variabile în timp în cazul general. Însumând contribuţiile tuturor fazelor în punctul x, se obţine câmpul magnetic al unei înfăşurări polifazate. m B(x, t) B (x,t) B(t)sin x (t) (.9) i Ecuaţia (.9) reprezintă o undă învârtitoare de repartiţie sinusoidală, a câmpului magnetic; amplitudinea şi viteza unghiulară sunt mărimi variabile în timp.[4].4 Maşina de curent continuu. Maşina de curent continuu s-a impus faţă de maşinile de curent alternativ prin posibilitatea reglării comode şi în limite largi a turaţiei; există în schimb dezavantajul prezenţei colectorului ce limitează puterea ce se poate scoate din maşină.[3,7,34] Principiul de funcţionare a fost prezentat pe scurt în. Dacă în locul unei singure spire se plasează pe rotor o înfăşurare de curent continuu cu legături scoase la colector, pulsaţiile tensiunii culese la perii se reduc sensibil, cu atât mai mult cu 3

12 cât numărul de lamele ale colectorului între două perii consecutive este mai mare, încât se obţine o tensiune practic continuă. Regimurile posibile de funcţionare ale maşinii de curent continuu, sunt de generator, motor şi frână electromagnetică, în raport cu sensul fluxului energiei. Maşina de curent continuu este larg utilizată atât ca motor cât şi ca generator şi se realizează pentru diverse puteri, tensiuni şi intensit. După modul de colectare al înfăşurării de excitaţie a polilor principali, maşinile de curent continuu pot fi cu excitaţie separată sau cu autoexcitaţie..4. Elemente constructive de bază. Maşina de curent continuu are două părţi principale: - statorul, partea fixă, ce reprezintă inductorul maşinii; - rotorul, partea mobilă sau partea indusă ce roteşte interiorul statorului. Elementele statorului sunt: carcasa ce cuprinde jugul statoric, polii principali şi auxiliari, scuturile, lagărele, colierul de susţinere a periilor. Rotorul cuprinde miezul feromagnetic crestat pe care este plasată înfăşurarea indusului, colectorul, arborele, ventilatorul. Elementele constructive de bază: Jugul statoric se realizează din fontă sau oţel. De el sunt fixaţi polii principali pe care sunt plasate înfăşurările de excitaţie şi polii auxiliari cu înfăşurările de comutaţie. Miezurile polilor se execută din tole de oţel electrotehnic strânse prin nituri sau din oţel masiv. În tălpile polilor principali, uneori se practică crestături în care se introduc conductoarele înfăşurării de compensaţie..[3,7,34] Rotorul este format din arborele pe care se fixează miezul indusului prevăzut cu crestături deschise sau semideschise în care se plasează înfăşurarea indusului legată la colectorul 8 prin intermediul steguleţelor. Miezul indusului se face din tole de oţel electrotehnic de 0,5 mm. izolate între ele prin o peliculă de lac sau un strat de oxid. Pentru îmbunătăţirea condiţiilor de răcire tolele se grupează în pachete de mm. între care se lasă canale radiale de ventilaţie de 8-0 mm. Maşinile mici au un singur pachet de tole. Tolele marginale se iau cu grosimea de mm din motive de rezistenţă mecanică. Colectorul este format din ansamblul lamelelor izolate între ele cu mică sau micanită şi rigidizate din punct de vedere mecanic prin intermediul butucului colectorului şi a inelului de strângere al vectorului. Sistemul lamelelor se izolează de elementele de fixare prin cilindri şi conuri de micanită. Mărimile nominale sunt cele corespunzătoare regimului de funcţionare al maşinii şi sunt precizate pe plăcuţa maşinii. Pentru maşina de curent continuu se nominalizează tensiunea la borne şi turaţia. Astfel (conform STAS) la generatoare se nominalizează tensiunile de 5V, 30V, 460V iar la motoare tensiunile de 0V, 0V, 440V. 4

13 .4. Generatorul de curent continuu O maşină de curent continuu funcţionează ca generator când primeşte putere mecanică la arbore şi cedează pe la borne putere electrică..[3,7,34] Din punct de vedere al excitaţiei se deosebesc: generatoare cu excitaţie separată (fig..3.a) în care înfăşurarea de excitaţie este conectată la o sursă exterioară de tensiune continuă şi generatoare cu autoexcitaţie care după modul de legare la bornele maşinii a înfăşurărilor de excitaţie, pot fi cu excitaţie paralel (fig.3.b), serie (fig..3.c) şi mixtă (fig..3.d). După scopul urmărit se utilizează şi generatoare ce prezintă atât înfăşurări de excitaţie paralel şi serie cât şi excitaţie separată. Cel mai larg folosit este generatorul derivaţie. Fig..3. Legarea la bornele maşinii electrice a înfăşurărilor elecrice de excitaţie Puterea electrică de excitaţie este de ordinul câtorva procente (-5%) din puterea nominală a maşinii de curent continuu. Rezultă de aici că la maşinile cu excitaţie paralel, I0 din înfăşurarea de excitaţie, reprezintă de asemenea câteva procente din curentul principal al maşinii; pentru producerea solenaţiei de magnetizare necesare, înfăşurarea de excitaţie se realizează din spire multe de secţiune redusă şi are ca urmare, o rezistenţă importantă. Fig..4. Schema generatorului electric cu excitaţie serie Pentru ca să se poată stabili o tensiune la bornele generatoarelor cu autoexcitaţie, trebuie ca în acestea să existe un câmp magnetic remanent. În câmpul închis astfel format, condiţiile de autoexcitaţie sunt aceleaşi ca şi la generatorul 5

14 derivaţie: existenţa unui flux remanent, conectarea potrivită a înfăşurării de excitaţie şi rezistenţa RS de o astfel de valoare încât RS R R 0 tg. cr Cum curentul de sarcină este şi curent de excitaţie, tensiunea la borne variază în limite largi cu sarcina şi scade la 0 pentru, lăsând receptorul nealimentat (fig..4.).[34] R S R scr Caracteristicile generatorului cu excitaţie mixtă Schema generatorului cu excitaţie mixtă, este reprezentată în figura.5. Generatorul prezintă două înfăşurări de excitaţie, una derivaţie (Ed) şi alta serie (Ea). Dacă fluxurile înfăşurărilor Ed, Es, au acelaşi sens, generatorul este cu excitaţie mixtă adiţională, altfel diferenţială. De regulă înfăşurarea derivaţie este înfăşurarea de excitaţie de bază, iar prin intermediul înfăşurării în serie, se corectează după voie alura caracteristicilor. Interesează în primul rând, caracterizarea externă a generatorului mixt. La mersul în gol maşina se comportă ca generatorul derivaţie, câmpul magnetic fiind produs doar de înfăşurarea Ed. În sarcină înfăşurarea serie stabileşte un câmp suplimentar, variabil cu sarcina şi prin aceasta se modifică tensiunea la borne ce s-ar obţine cu un generator derivaţie. Fig..5. Schema generatorului electric cu excitaţie mixtă În figura.6 prin curba l s-a reprezentat caracteristica externă a unui generator derivaţie. Dacă se urmăreşte ca şi la curentul nominal IN să se păstreze tensiunea de la mersul în gol, înfăşurarea suplimentară serie se conectează adiţional şi se dimensionează astfel, încât să compenseze căderile de tensiune determinate de sarcină (curba ). Se zice că generatorul este normal compundat. Dacă se creşte ponderea înfăşurării serie, în sarcină lucrează demagnetizant şi tensiunea cade repede (curba 4), generatorul este anticompundat. Pe această bază se pot obţine generatoare cu o alură dorită a caracteristicii externe.[3] 6

15 Fig..6. Caracterisitica externă a generatorului electric în derivaţie[4].5 Servomotoare electrice În categoria servomotoarelor electrice sunt incluse motoarele de curent continuu şi curent alternativ, care în sistemele de reglare automată joacă rol de elemente de execuţie; la primirea unui semnal electric (la aplicarea unei tensiuni de comandă), arborele servomotorului roteşte astfel încât să fie respectat procesul tehnologic prescris. De regulă, semnalul de comandă este de putere mică, încât alimentarea servomotorului SM (fig..7.) se asigură de la un amplificator de putere A; prin intermediul unui reductor de turaţie servomotorul antrenează sarcina S.[4,3,9,7,34]. Mărimea de ieşire e poate fi aplicată la intrarea în amplificator (direct sau după o convertire convenabilă), ca o reacţie de control (de comparaţie cu mărimea de comandă l). Fig..7. Schema generală şi alimentarea servomotorului electric[34] Ansamblul servomotor, reductor, sarcină şi elementul de amplificare (cu sau fără reacţii), constituie un mecanism de execuţie sau servomacanism. Capitolul de faţă tratează servomotoarele electrice din punct de vedere al condiţiilor specifice în regim staţionar şi dinamic, pe care trebuie să le îndeplinească în cadrul unui servomecanism. Servomotoarele prezintă caracteristici diverse şi sunt de puteri, turaţii şi frecvenţe variind în limite largi. În accepţia uzuală, termenul de servomotor priveşte motoarele de putere mică (sub Kw) din sistemele automate, la care este posibil reglajul de turaţie. La puteri de ordinul waţilor şi sutelor de waţi sunt preferate 7

16 servomotoarele de curent alternativ, peste aceste puteri se utilizează servomotoarele de curent continuu. Condiţiile de funcţionare fiind altele decât pentru motoarele obişnuite (trebuind să răspundă cu precizie la semnalul de comandă aplicat), ele necesită o realizare tehnologică aparte. Se dă atenţie asigurării simetriei circuitului magnetic, prelucrării suprafeţelor, asigurării rigidităţii mecanice mai ales la viteze ridicate (servomotoarele pot lucra la viteze de până la de rot/min), etc. În calculele de proiectare având în vedere caracterul de masă al producţiei de servomotoare, alături de caracteristicile funcţionale ce trebuiesc satisfăcute, se au în vedere şi considerente economice (alegerea solicitărilor electromagnetice şi soluţiilor constructive astfel, încât consumul de materiale active şi în consecinţă preţul de cost, să fie redus). Indiferent de tipul, de curent continuu sau curent alternativ, pentru o funcţionare corespunzătoare, servomotorul trebuie să permită un reglaj în limite largi şi stabil de turaţie, să dezvolte un cuplu de pornire cât mai mare posibil şi doar în prezenţa semnalului de comandă, să aibă viteza mare de răspuns şi putere de comandă redusă, caracteristici mecanice lineare, construcţie robustă, preţ de cost redus, etc. Aceste criterii se au în vedere când se dimensionează sau se alege un servomotor. Ele se caracterizează prin gabarite reduse şi o funcţionare sigură, în schimb necesită o tehnologie de execuţie pretenţioasă.[4.34].5. Ecuaţiile servomotoarelor de curent continuu. În cele ce urmează se au în vedere servomotoarele cu excitaţie separată, de regulă utilizate în sistemele de reglare automată. La aplicarea unui semnal de comandă, arborele servomotorului ia o anumită turaţie sau, în sistemele de urmărire, ocupă o poziţie determinată. Tensiunea de comandă poate fi aplicată fie în circuitul de excitaţie fie în circuitul indusului. Ecuaţiile ce definesc comportarea în cazul general, sunt cele date de relaţii în care J este momentul de inerţie rezultat la arborele servomotorului (determinat şi de părţile în rotaţie ale reductorului şi sarcinii) iar F, coeficientului de frecări vâscoase, condiţionat de frecările mecanice ce se produc în toate elementele în rotaţie din sistemul format de servomotor, reductor şi sarcină..6 Comanda prin circuitul indusului Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele indusului, tensiunea de excitaţie păstrându-se constantă. Ecuaţiile ce definesc funcţionarea servomotorului în regim staţionar pentru Ua=variabil, Uex=ct, au forma: 8

17 U a RI a M ho K s I e M M hoksieia (.0) Întrucât Uex ct(ie ct), fluxul polar al maşinii se păstrează constant, indiferent de sarcină (dacă se neglijează efectele reacţiei de indus) şi în consecinţă K S ct, de o valoare corespunzătoare nivelului solicitării magnetice a maşinii. Faptul că nu mai intervine nelinearitatea caracteristicii magnetica a maşinii, este un argument major în vederea folosirii acestui procedeu de reglare în sistemele automate.[3] Eliminând curentul IS din (.0) se obţine caracteristica mecanică M KM US F (.) în care mărimile constante K M M hokje (MhoKJe), F (.) R R Considerând tensiunea indusului Ua parametrul variabil, se obţine o familie de caracteristici mecanice M=f(n), (fig..) de forma unor drepte paralele de panta F. Fig... Caracteristica mecanică la variaţia tensiunii.[3] Caracterul linear şi panta constantă a caracteristicilor mecanice, echidistante la variaţia în trepte egale a tensiunii Ua, permit o funcţionare corespunzătoare a servomotorului într-un sistem automat şi reprezintă principalele avantaje ale comenzii prin circuitul indusului; dintre ele prezintă un interes în primul rând cea corespunzătoare tensiunii maxime de comandă Ua max. Pentru o valoare dată a tensiunii Ua caracteristica mecanică se trasează identificând intersecţiile dreptei cu axele de coordonate. Pentru =0 rezultă cuplul de pornire al servomotorului. M K U (.3) p M a 9

18 Pentru M=0, se obţine viteza unghiulară maximă 0 a servomotorului (corespunzătoare mersului în gol ideal) K M 0 U (.4) a F Din (.3) se observă că între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă există o relaţie de proporţionalitate şi pentru acest punct, servomotorul joacă rol de traductor tensiune-cuplu. Pe această bază KM se defineşte coeficient de amplificare tensiune-cuplu iar prin analogie, se numeşte coeficient de frecare vâscoasă artificială. Puterea utilă la arborele servomotorului este dată de relaţia: PU M (K U F) (.5) M a Se observă că pentru =0, =0, puterea utilă devine nulă. Ea trece prin maxim la viteza unghiulară max (ce satisface ecuaţia K sf dp u d 0 ), dată de relaţia: M max Ua (.6) 0 înlocuind se obţine K U M a Pu max (.7) 4 F P u jumătate din viteza unghiulară 0 corespunde tensiunii Ua date şi scade repede cu Ua. În fig.. este reprezentată familia de caracteristici f Fig... Familia caracteristicilor mecanice pentru diverse tensiuni.[3] 0

19 Pentru tensiunea de comandă maximă Ua max, trebuiesc precizaţi cuplul de pornire Mp max, viteza unghiulară max şi puterea utilă Pu max, ce reprezintă parametrii semnificativi funcţionării ca servomotor.[4,3,5,7] La studiul regimului dinamic se consideră mărime de intrare tensiunea de comandă ua şi de ieşire unghiului de poziţie al rotorului. Ecuaţiile operaţionale deduse pentru condiţii iniţiale nule, capătă forma: u S R sts i as M hokssiess.8 M K I i s Fs st s m s a m s ho s e a m d în care ţinând cont că, s-a introdus (s) s(s) dt S-au notat T s La R T m J F s.9 respectiv constanta de timp a înfăşurării indusului şi constanta mecanică de timp. Ecuaţia pentru circuitul de excitaţie nu intervine, întrucât la Uex=ct corespunde şi Ia=ct şi regimul se păstrează staţionar. s ua M hoksies M hoksie R sta şi ţinând cont de (.) s Fs st s m.0 m s sau K M I a s Fs s st ms Fs st st. a m a F K Mua s sta ma s F s sta stm. F Ecuaţiei (.) îi corespunde schema funcţională din fig.3 în care servomotorul prin introducerea coeficientului KM joacă rol de traductor tensiunecuplu (conform relaţiei.3 care în regim dinamic capătă forma m s K u s ). F M a Fig..3. Schema funcţională a servomotorului electric cu traductor tensiune-cuplu

20 Dacă se neglijează constanta de timp Ta a indusului, de regulă foarte mică, faţă de constanta mecanică de timp Tm, schema funcţională capătă forma (fig..4). F unde T m Tm.3 F F este constanta electromagnetică echivalentă de timp. Fig..4. Schema funcţională a servomotorului cu constantă electromecanică de timp În cazul particular ma=0 (La mersul în gol), rezultă funcţia de transfer a sistemului. K s m F F.4 uas s st m Introducând notaţiile de mai sus, schema funcţională capătă forma din fig..3 în care dispare s de la numitorul fracţiei ce defineşte funcţia de transfer a ultimului element al schemei şi ca element de ieşire se consideră (s). Funcţia de transfer la ms=0, devine: u K s M M F F s F F F st st T T K.5 F a a m a m s Ta F F F F Întrucât coeficienţii ecuaţiei de la numitor sunt toţi pozitivi, funcţionarea este stabilă. După cum rădăcinile ecuaţiei caracteristice sunt ambele negative sau complex conjugate, viteza unghiulară va tinde către valoarea stabilizată respectiv aperiodic sau prin oscilaţii amortizate. De regulă se urmăreşte eliminarea oscilaţiilor din sistemul de reglare, încât constantele Ta, Tm trebuie să satisfacă inegalitatea: F F T T 4T T 0.6 m s m a Din (.6) rezultă că Ta trebuie să fie pe cât posibil redus şi din acest motiv uneori se procedează la înserierea cu circuitul indusului servomotorului, a unor rezistenţe suplimentare. În cazul simplificat al neglijării lui Ta funcţia de transfer devine

21 u a s s KM F F st m.7 Din ecuaţiile (.7) şi (.5), rezultă că din punct de vedere dinamic în ipotezele simplificatoare admise, servomotorul se comportă ca un element inerţial aperiodic sau un ansamblu de două elemente dintre care unul inerţial aperiodic şi altul integrator, după cum mărimea de ieşire este viteza unghiulară sau unghiul de poziţie al rotorului. Viteza de răspuns este condiţionată de constanta de timp T m<<tm deoarece de regulă F >>F. În consecinţă, introducerea pe cale funcţională a coeficientului F, apare deosebit de avantajoasă pentru comportarea în regim dinamic a servomotorului (astfel spus, înclinarea caracteristicii mecanice a servomotorului în regim staţionar, este o măsură a comportării lui în regim dinamic). Coeficientul de frecare vâscoasă artificială F poate fi stabilit de o valoare convenabilă conform relaţiei.8. Trebuie observat că mărimea lui F este legată (conform relaţiei.7) în care se face s=0 de o limitare a vitezei unghiulare staţionare ce se obţine la ieşire corespunzător unei tensiuni de comandă dată.[5,3,9,5,7].6. Comanda prin circuitul de excitaţie Potrivit acestei metode, tensiunea de comandă este aplicată la bornele înfăşurării de excitaţie şi se păstrează constantă tensiunea înfăşurării indusului. Ecuaţiile regimului staţionar capătă forma Ua RIa M hokaie M M hokaieia.8 U ex R EIe KaIe Kf Ie Un prim dezavantaj al metodei decurge din faptul că odată cu tensiunea de comandă se modifică în limite largi şi fluxul polar şi ca urmare nivelul de saturaţie al maşinii, încât trebuie luată în consideraţie şi ultima ecuaţie nelineară din (.8). Dacă se neglijează în prima aproximaţie saturaţia (se presupune Ka ct), eliminând curenţii Ia, Ie din sistemul.8 se obţine caracteristica mecanică M f() de forma: M K MUex F U ex.9 unde: K M M hokau RR E ex ; F R ho s U U.30 ex M K Rr Ecuaţia.9 pentru o tensiune de Uex dată, reprezintă o dreaptă de pantă F dependentă de mărimea tensiunii de comandă. e 3

22 Familia de drepte paralele cu abscisa ce se obţine pentru diverşi Uex este reprezentată în fig..5. se observă că nu mai este posibilă răsturnarea reglajului, în schimb caracteristicile au căpătat o formă rigidă (F =0) ceea ce este dezavantajos pentru regimul dinamic. În plus deoarece de fapt Ksct, nici în acest caz nu se respectă proporţionalitatea între cuplul de pornire şi tensiunea de comandă. Fig..5. Familia de drepte paralele pentru Uex Asigurarea condiţiei Ia=ct pentru diverse tensiuni de comandă Uex, se realizează intercalând între sursă şi bornele indusului, o rezistenţă importantă în serie, sensibil mai mare decât rezistenţa echivalentă pe care o poate prezenta la borne servomotorul pentru tot domeniul posibil de funcţionare. Introducerea rezistenţei suplimentare, determină pierderi importante de energie încât faptul că, potrivit metodei, este necesară o putere de comandă redusă, nu mai reprezintă un avantaj deosebit. Regimul dinamic se analizează în ipoteza Ia=ct. Ecuaţiile operaţionale deduse la considerarea ca mărimi de intrare respectiv de ieşire tensiunea uex şi unghiul de poziţie al rotorului, pentru Ka=ct şi condiţiile iniţiale nule, capătă forma: u s R st i E e e M K I i s Fs st s m.33 ex m s ho s a e Eliminând curentul ie(s) şi ţinând cont de (.3) se obţine: m s st m s Fs st st.34 K M uex e s şi corespunzător schema funcţională din fig..6. e m 4

23 Fig..6. Schema funcţională a servomotorului în regim dinamic În (.34) constanta de timp L Te R a E a circuitului de excitaţie este importantă şi nu poate fi neglijată faţă de Tm. Se poate neglija însă produsul ajunge la schema funcţională simplificată din figura.7 în care: T T T m e m este constanta electromagnetică echivalentă de timp. Te T m.35 încât se Fig..7. Schema funcţională a servomotorului cu constantă echivalentă de timp La mersul în gol (me)=0, se obţine funcţia de transfer K M s F M s s st ho m.36 Funcţia de transfer pentru me=0, ţinând cont de notaţiile introduse, capătă forma: K K M m s F F.37 u s st st st ex m e Ecuaţiile (.36), (.37), ce definesc funcţiile de transfer, se obţin de formă asemănătoare celor corespunzătoare aplicării tensiunii de comandă pe circuitul indusului. Absenţa coeficientului de frecare vâscoasă artificială F şi introducerea în acelaşi timp a constantei de timp Te de valoare mare, conduc aşa cum rezultă din compararea relaţiilor (.3), (.35), la o constantă de timp echivalentă Tm >Tm şi în consecinţă viteza de răspuns a servomotorului comandat prin circuitul de excitaţie este relativ redusă. La acest dezavantaj se adaugă consumul de energie pe rezistenţa suplimentară şi legătura nelineară şi neunivocă dintre fluxul polar şi curentul de excitaţie, ce afectează nivelul preciziei comportării într-o schemă de reglare automată. Din aceste motive, în mod uzual se utilizează comanda prin circuitul indusului, comanda prin excitaţie fiind aplicată numai la servomotoarele de mică putere.[4,3,5,7,34] 5

24 Observaţii. Avantajele utilizării servomotoarelor de curent continuu, se referă în principal la posibilitatea reglajului de turaţie relativ simplu şi stabil, în limite largi, prin intermediul unor caracteristici mecanice practic lineare, la buna comportare în regim dinamic mai ales a servomotoarelor în construcţie specială (cu rotorul în formă de pahar şi rotor disc), la posibilitatea obţinerii unor dimensiuni de gabarit reduse, etc. Printre dezavantaje se înscriu prezenţa colectorului ce necesită o îngrijire specială, posibilităţile mai restrânse de reglare la comanda prin circuitul de excitaţie, imposibilitatea sesizării schimbării semnalului de comandă şi introducerea unor caracteristici mecanice nelineare la servomotorul serie (din acest motiv puţin folosit), existenţa periilor care provoacă o creştere nedorită a frecărilor, prezenţa scânteilor la colector (sursă de paraziţi radiofonici), etc. Faţă de maşinile de construcţie normală, servomotoarele de putere mare se realizează întrucâtva diferit. În vederea obţinerii unei constante mecanice de timp Tm cât mai mici, se urmăreşte reducerea pe cât posibil a diametrului exterior al rotorului. De asemenea pentru a putea prelua şocurile de sarcină, se execută cu arborele rotoric supradimensionat şi comutaţiei I se acordă o atenţie particulară (la şocuri de curent de câteva ori curentul nominal, scânteierea la colector să fie admisibilă) prin prevederea de poli auxiliari, înfăşurări de compensaţie, etc. Având în vedere avantajele prezentate, servomotoarele de curent continuu sunt larg folosite în schemele de reglare automată şi după calcule simple U d U E jue ; U l U E jue.38 În baza relaţiilor (.38) se determină în mod simplu (conform diagramei fazorile din fig..8) tensiunile simetrice de succesiune directă şi inversă care aplicată înfăşurărilor, determină funcţionarea din cazul real. Fig..8. Detrminarea tensiunilor de succesiune directă şi inversă În particular la înfăşurări E, c, identice, aplicarea sistemului direct de tensiuni determină curenţi egali şi defazaţi cu x prin cele două înfăşurări, încât la un moment dat, contribuţia armonicii fundamentale din curba solenaţiei corespunzătoare fiecărei înfăşurări într-un punct, la distanţa x pe periferia maşinii de axa înfăşurării E, este: 6

25 E x, t sin wt sin d x d x, t d sin wt sin x.39 8 şi solenaţia rezultantă: x, f E c d sin wt x.40 8 Ecuaţia (.40) reprezintă o undă învârtitoare şi determină ipotezele simplificatoare admise într-un câmp magnetic învârtitor circular direct. În consecinţă forma caracteristicii mecanice a servomotorului pentru sistemul direct de tensiune Md=f(s), este similară celei corespunzătoare unei maşini polifazate funcţionând simetric.[4,3,5,7,34] Analog se obţine un câmp magnetic circular invers şi un cuplu invers Md=f(s) la aplicarea sistemului invers de tensiuni. În realitate pentru un sistem nesimetric de tensiuni UE, Ue ca în (fig..8), E x, t E sin t sin x (.4) c x, f c sin t sin x. 4 8 În întrefier se stabileşte un câmp magnetic învârtitor eliptic, rezultat prin suprapunerea a două câmpuri magnetice circulare de amplitudini diferite, ce se rotesc în sensuri opuse. Cuplul motorului este dat de suma cuplurilor direct şi invers corespunzătoare. Caracteristica mecanică rezultantă M M e M este reprezentată în figura.9. i Fig..9. Caracteristica mecanică rezultantă M M dp ip Pentru n=0 cuplurile direct şi invers au valorile: KU KU d i.4 7

26 iar cuplul de pornire al servomotorului va fi: M p K U U.43 d i Dacă tensiunea de comandă este nulă, din (.38) se obţine Ud=UI, caracteristica mecanică devine cea a unei maşini de inducţie monofazate şi corespunzător Mp=0. Rezultă că servomotorul bifazat porneşte doar la Ue0. Pentru o funcţionare corespunzătoare în sistemul de reglare automată, trebuie ca la dispariţia semnalului de comandă servomotorul să se oprească. Cum se ştie însă maşina de inducţie în construcţie normală ce la un moment dat devine alimentată monofazat (aşa cum devine servomotorul pentru Uc=0), rămâne în turaţie dacă cuplul electromagnetic corespunzător funcţionării monofazate, pozitiv pe o plajă largă de turaţii, depăşeşte cuplul rezistent de la arbore. Pentru a evita această situaţie incompatibilă cu funcţionarea ca servomotor, se măreşte sensibil rezistenţa rotorică astfel ca alunecarea critică să fie în jurul valorilor sk=-3. Pe această bază cuplul rezultant pe care îl dezvoltă maşina la trecerea în funcţionarea monofazată devine negativ (de sens opus rotaţiei) până la n=0 şi servomotorul se opreşte. Un alt avantaj ce rezultă din mărirea rezistenţei circuitului rotoric este apropierea de forma lineară a caracteristicilor mecanice Md, MI, M din figura.9 ale servomotorului bifazat. În figura.30 s-au aproximat prin drepte în sistemul de axe (,M) pe intervalul (-, +) caracteristicile mecanice Md=f(), MI=f(), corespunzătoare succesiunilor directe şi inverse de tensiuni. Şi caracteristica rezultantă M=f(), suma algebrică a cuplurilor direct şi invers, rezultă tot o dreaptă pe intervalul considerat. Poziţia dreptei se precizează prin pantă şi ordonata la origine (ce determină cuplul de pornire al servomotorului bifazat). Fig..30. Cuplul de pornire al motorului trifazat În figură, AB= Mpd A B =Mp şi panta dreptei M=f() rezultantă are forma: 8

27 F AB AB M pd M pi sau conform (.4).44 F g U U.45 K d i Din figura.8 rezultă: U U d c U 4 U 4 E E U U c c U U E E U U c c sin sin înlocuind în (.45), (.43) se obţine: F K U U ; M KU U sin 0.46 E c p E c Caracteristica mecanică M f căutată este de forma M M p F KU E U c sin K U U.47 E c Viteza de mers în gol ideală U ECc sin 0.48 U E U c Dacă servomotorul este comandat astfel încât Uc=variabil, U=ct =ct (comandă prin modificarea amplitudinii tensiunii U), cuplul de pornire variază direct proporţional cu semnalul de comandă încât servomotorul bifazat poate fi considerat ca un traductor tensiune-cuplu. Diversele trepte M=f() ce se obţin la modificarea lui U sunt de pante diferite întrucât Fx=f(U), fig..3 ceea ce reprezintă o sursă nedorită de nelinearităţi. 9

28 Fig..3. Caracteristica mecanică pentru semnal maxim de comandă Cu linie îngroşată s-a reprezentat caracteristica mecanică corespunzătoare semnalului maxim de comandă Ucmax. Dacă servomotorul este comandat astfel ca Uc=ct, U=ct, =variabil (comanda prin modificarea fazei tensiunii Uc), cuplul de pornire se modifică după o lege sinusoidală cu defazajul. Dreptele M() pentru diverşi rezultă paralele (de pantă Fx neschimbată). Deoarece pentru obţinerea lui variabil sunt necesare instalaţii modificatoare de fază relativ scumpe, acest sistem de comandă este mai rar utilizat. [9,,7,34] Indiferent de sistemul de reglare, caracteristicile de reglare, caracteristicile mecanice M sunt drepte căzătoare, ce permit o funcţionare stabilă pe toată plaja de viteză unghiulară (0, 0). Din (.48) se vede că 0< şi atinge această valoare la U=Uc şi când sunt realizate condiţiile pentru câmp magnetic învârtitor circular (când dispare cuplul invers, opus rotaţiei). Funcţionarea în regim dinamic. Se are în vedere ecuaţia: d M M p F J F m s.49 dt unde M K U ; K KU sin p M c M E (se consideră comanda servomotorului prin variaţia amplitudinii tensiunii U). În forma operaţională K U s F F st s M s.50 M c m s în care J T m F F este constanta electromecanică echivalentă de timp..5 30

29 . Generalităţi.POMPE ŞI MOTOARE HIDROSTATICE În ultimele decenii acţionările hidraulice au cunoscut o dezvoltare considerabilă, în cele mai variate domenii ale tehnicii, datorită unor avantaje considerabile pe care aceste acţionări le au în comparaţie cu cele mecanice şi chiar cu cele electrice, în unele privinţe. Astfel, acţionările hidraulice au în prezent o largă utilizare în construcţia avioanelor, a rachetelor, a tehnicii militare, în construcţia maşinilor unelte, a preselor, la extracţie, la maşinile de transport şi ridicat, la excavatoare şi alte utilaje de construcţie, la automobile, tractoare, maşini agricole, nave etc.[6,3,7]. Avantajele şi dezavantajele sistemelor de acţionare hidraulică Unele dintre avantajele fundamentale ale sistemelor de acţionare hidraulică îl constituie gabaritul şi greutatea redusă pe unitatea de putere. Raportul dintre momentul de răsucire şi cel de inerţie al motorului hidraulic are valori foarte ridicate, până la 000 sau chiar mai mult, în timp ce la un motor electric asincron acesta reprezintă doar o valoare de 4 6. Motoarele hidraulice au, deci excepţionale calităţi dinamice: astfel, de exemplu, timpul de accelerare, a unui motor hidraulic de putere 5 7 kw are valoarea de 0,03 0,04s. Acelaşi avantaj îl prezintă şi pompele hidraulice, la care variaţia debitului de la zero la valoarea maximă se poate realiza în 0,04s, iar micşorarea acestuia de la valoarea maximă la zero, în timpul de 0,0s. Alte avantaje ale sistemelor de acţionare hidraulică sunt: -posibilităţi largi de acţionare a unor cicluri de funcţionare automatizate şi de schimbare uşoară a caracteristicilor acelor cicluri. -tehnologia de fabricaţie a elementelor sistemelor hidraulice este mai complicată (toleranţe strânse şi complexitatea mare a formei geometrice)..3 Clasificări, noţiuni de bază, definiţii, terminologie, principiul de funcţionare a sistemelor hidraulice Acţionarea hidraulică poate fi definită ca un ansamblu de funcţiuni tehnice prin care se realizează transmiterea de energie mecanică, de la un element conducător la unul condus, cu ajutorul unui mediu hidraulic. 3

30 .3. Clasificarea acţionărilor hidraulice Acţionările hidraulice pot fi clasificate după mai multe criterii şi anume: A) După principiul de funcţionare, în: - sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrostatic (volumic), care au la bază, în special, folosirea energiei potenţiale a lichidului, sub formă de presiune hidrostatică; - sisteme hidraulice de acţionare de tip hidrodinamic, în care se dezvoltă forţe produse de presiunea hidrodinamică; - sisteme hidraulice de acţionare de tip alternativ (hidrostatic), la care transmiterea energiei se face prin impulsuri. B) După criteriul cinematic, în : - sisteme hidraulice de acţionare cu mişcare de rotaţie; - sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare de translaţie; - sisteme de acţionare hidraulică cu mişcare oscilantă. C) După funcţia îndeplinită (destinaţie), în: - transmisii hidraulice, ansamblu de funcţiuni care, cu ajutorul unui mediu hidraulic, realizează transmiterea unei energii de lucru la organul activ al maşinii; - posibilitatea de reglare continuă a vitezelor organului de lucru în limite largi şi după orice lege dorită, sau posibilitatea de menţinere constantă a vitezei de lucru. - Posibilitatea obţinerii unor forţe şi puteri de considerabile (de exemplu, prese hidraulice cu o forţă de presare de peste tone) şi uşurinţa comenzilor acestor instalaţii uriaşe (se pot obţine coeficienţi de amplificare de ordinul sutelor de mii). - Obţinerea unor mişcări silenţioase şi stabile, uzuri minime ale elementelor active, durata mare de funcţionare (0 000 de ore sub sarcină pentru pompe şi motoare hidraulice) protecţia uşoară şi sigură împotriva suprasarcinilor, controlul permanent asupra sarcinii, toate acestea fiind o urmare a folosirii mediului hidraulic ca agent motor. - Caracteristica mecanică rigidă, este în cazul ideal legătura dintre piston şi cilindru umplut cu lichid putându-se considera de rigiditate infinită, în timp ce legătura în câmp magnetic este mult mai elastică (în realitatea trebuie remarcat că nici sistemul hidraulic nu este absolut rigid, datorită compresibilităţii lichidului şi deformaţiei elastice a peretelui cilindru). Spre deosebire de curentul electric, fluxul de lichid transportă căldura degajată ca rezultat al pierderilor de energie din locul în care se degajă, ceea ce permite micşorarea dimensională a elementelor pentru o anumită putere, sau mărimea puterii raportată la unitatea de volum. [6,3,7] - evacuarea căldurii se face uşor, folosind schimbătoare de căldură amplasate în locuri comode. Printre dezavantajele mai importante se pot cita: 3

31 - poluarea şi pierderi volumice de lichid de lucru, ceea ce favorizează apariţia fenomenului de obliteraţie şi variaţie a vitezei organului de lucru. Pierderi liniare şi locale de presiune proporţionale cu pătratul vitezei de curgere a lichidului. - comenzi hidraulice, către au ca scop transmiterea unor energii (impuls) de comandă la un anumit element al transmisiei hidraulice. D) După criteriul interdependenţei dintre sistemul de acţionare şi organul acţionat, acţionările (transmisii sau comenzi) pot fi subîmpărţite în: - autonome, (dirijarea mecanismului acţionat în mod independent de evoluţia deplasării sale); - aservite, (servoacţionări), care sunt influenţate de evoluţia mecanismului acţionat sau de alte mecanisme ale maşinii..4 Noţiuni de mecanica fluidelor.4.proprietăţile fizico-chimice ale lichidelor de lucru Mediul hidraulic folosit în mod curent în sistemele de acţionare hidraulică este uleiul mineral. În cazuri mai rare se folosesc şi alte medii ca, de exemplu, lichide speciale (sintetice) din polimeri ai oxidului de siliciu sau compuşi pe bază de eteri, care se caracterizează printr-o stabilitate a vâscozităţii (indice Dean Davis ridicat) şi prin inerţie chimică. [3,36] În acţionarea hidraulică pot fi utilizate uleiurile hidraulice H9, H35, H57 (STAS ) pentru solicitări uşoare şi uleiuri hidraulice aditivate H, H0, H30, H38, (STAS ) pentru presiuni de max 300 dan/cm şi temperaturi de 5-8C Mediul hidraulic utilizat în unele cazuri în acţionare hidraulică la temperaturi ridicate de funcţionare este metalul lichid deoarece în aceste cazuri nu rezistă nici uleiurile minerale nici lichidele sintetice. Mai eficient pentru aceste scopuri este un aliaj eutectoid compus din 77% Natriu şi 3% Kaliu, având un aspect argintiu similar cu mercurul. Punctul de topire este de cca. - C şi cel de fierbere cca. 850C (la presiunea atmosferică). Alierea acestuia cu Cesiu reduce şi mai mult punctul de topire. Modulul de elasticitate volumică este de 5,x0 4 la temperatura de 40 C. Vâscozitatea acestuia variază între,0 şi 0,cSt la temperaturi cuprinse între şi 750C. Dintre proprietăţile fizice cele mai importante, ale lichidelor folosite în acţionarea hidraulică, se evidenţiază vâscozitatea şi compresibilitatea. Compresibilitatea lichidului de lucru este un parametru important care intervine în calculele sistemelor de acţionare hidraulică, mai ales la presiuni mari, fiind exprimat printr-un coeficient de compresiune relativă sau prin modul de elasticitate volumică. 33

32 .4.Principiul de funcţionare a sistemelor de acţionare hidraulică Sistemele de acţionare hidrostatică au o largă răspândire în construcţia maşinii datorită volumului redus şi greutăţii mici pe unitatea de putere, simplităţii reglării continue a vitezelor, coeficientului mare de reducţie şi amplificare, gradului ridicat de fiabilitate, simplităţii în deservire, randamentului superior,,arii universalităţi de utilizare şi uşurinţei în realizarea automatizării. Un sistem de acţionare hidraulică are în componenţa sa o sumă de elemente hidrostatice, asociate între ele într-o anumită ordine, subordonată scopului funcţional al maşinii sau instalaţiei respective. În cadrul acestui capitol se vor prezenta elementele componente principale ale sistemului hidraulic: pompele şi motoarele hidrostatice. Pompele şi motoarele hidrostatice (volumice) sunt transformatoarele de energie: pompele transformă energia mecanică în presiune hidrostatică, iar motoarele presiunea hidrostatică în energie mecanică. Pompele şi motoarele hidrostatice (în special cele rotative) sunt, în majoritatea cazurilor, reversibile, în sensul că pot îndeplinii funcţii de generator sau motor, motiv pentru care vor fi tratate împreună; calculele statice, cinematice şi dinamice sunt comune, urmând a se evidenţia, de la caz la caz, unele elemente specifice. În construcţia de maşini se utilizează pompe hidrostatice, care se deosebesc substanţial de cele folosite în alte domenii, cum ar fi cele din hidrotehnică, hidroamelioraţii, instalaţii utilitare, transportul produselor petroliere, etc. printr-o serie de parametri şi caracteristici, ca, de exemplu: presiuni şi debite, reglabilitate, forme constructive şi gabarite, performanţe dinamice etc. Presiunile considerate ca optime la pompele moderne sunt cuprinse între valori de daN/cm la turaţii între rot/min, iar unele cazuri până la rot/min, debite de la rot/min cu puteri până la kw. Motoarele hidrostatice rotative trebuie să asigure o mare stabilitate a mişcării, într-un domeniu larg de variaţie a mărimilor de ieşire (între valorile sau chiar 0, rot/min, până la rot/ min, la maşinile unelte cu comenzi numerice) şi un mare raport între cuplul motor şi cel de inerţie, care, pentru motoarele de cca. 00kW şi mai mari, este de ori mai mare decât la motoarele electrice de curent continuu, iar la cele de puteri mici, ori mai mare. Motoarele hidraulice liniare trebuie să asigure o viteză constantă a organului de lucru şi o mare frecvenţă de inversare. Drept criteriu de clasificare a acestor pompe şi motoare se va folosi traiectoria de mişcare a organului activ (cupele active la pompe şi mecanismul de ieşire la motor).[,,7] În consecinţă pompele şi motoarele se vor împărţi în două grupe mari: rotative, (circulare) şi liniare. 34

33 .4.3 Pompe şi motoare hidrostatice circulare Referitor la clasificarea acestor maşini hidraulice nu se va mai folosi criteriul reglabilităţii, deoarece în ultimii ani nu se mai poate vorbi de o demarcaţie precisă între cele reglabile şi nereglabile, întrucât unele pompe şi motoare considerate ca fiind tipice prin caracterul lor nereglabil (ca, de exemplu, cele cu angrenaj) au devenit reglabile. În consecinţă pompele şi motoarele rotative vor fi grupate, în funcţie de criteriul funcţional constructiv al elementului activ, în: pompe şi motoare cu pistonaşe axiale şi radiale, cu angrenaj, cu palete etc Pompe şi motoare cu pistonaşe axiale Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale sunt cele mai răspândite în acţionările hidrostatice din construcţia de maşini, fiind realizate într-o mare varietate constructivă. În (fig..) sunt prezentate câteva scheme de principiu ale acestora.[,] Astfel, pompele, (motoarele) din (fig...a,b,c,d şi e) sunt cu bloc rotitor, iar cele din (fig... f şi g) sunt cu bloc fix. Pompele din (fig..) a şi b sunt cu acţionare interioară prin ax, iar cele din (fig..) c cu acţionare exterioară. Variantele din (fig.. d şi e) sunt cu legături cardanice duble între blocul cu cilindri şi discul de antrenare în timp ce celelalte sunt fără legătură cinematică rigidă între pistonaşe şi discul alternativ, aşa zisele pompe şi motoare fără legătură cardanică şi fără bilă (tijă). O altă variantă, de data asta mai recentă, este prezentată în (fig.. g) şi se referă la pompe cu distribuţie prin supape, care pot lucra la presiuni foarte mari. Gradul de răspândire a acestui tip de pompe şi motoare constă în faptul că acestea au cea mai bună caracteristică de gabarit şi greutate pe unitatea de putere, deci cele mai ridicate calităţi dinamice. Astfel, de exemplu, la o greutate de kg revine o putere de cca. 5kW. Caracteristica de bază a acestor maşini hidraulice este un moment de inerţie mic şi constant, datorită distribuţiei simetrice a elementelor mobile faţă de axa de rotaţie, existând, deci o echilibrare perfectă a elementului mobil. Turaţiile pompelor de putere medie sunt cuprinse între 00 şi 500 rot/min, iar turaţia motoarelor poate fi mărit până la rot/min. în aviaţie se folosesc astfel de pompe la turaţii de rot/min, iar în unele cazuri (ca de exemplu, firma Vickers) se construiesc pompe cu nmax= rot/min şi nmiin=5-0 rot/min.[,,7] Pompele şi motoarele cu pistonaşe axiale se construiesc pentru presiuni cuprinse între 0 şi 700 dan/cm, debite variind între 3-4 l/min şi 800 l/min, puteri până la kw (pentru laminoare) şi momente până la kgfm. 35

34 Fig... Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie[,] Calcului debitului şi pulsaţiei sale. Din (fig..) se constată că la o rotaţie a blocului cu cilindri şi a discului înclinabil cu un unghi, pistonaşul 3 parcurge o distanţă x, iar după o rotaţie =80, acest pistonaş parcurge o cursă completă, egală cu h. în consecinţă debitul elementar pentru un pistonaş de secţiune s poate fi exprimat: 36

35 Fig...Schema functională a pompei cu pistonaşe axiale[,] Debitul instantaneu specific se poate calcula cu relaţia: q inst dq p dx sv s dt sdx sd d srsin sin sr sin sin q dt R R cos sin srsin sin q..3 iar debitul total poate fi exprimat prin relaţia: x Q q p zn0 srsin zn0 sin d d Rzn0 sin 0 în care z reprezintă numărul de pistonaşe.. Dacă se analizează debitul instantaneu, se constată că acesta are o variaţie în timp după o funcţie periodică sinusoidală, debitul total oscilând deci între două limite, Qmax şi Qmin. Pentru aprecierea caracterului pulsatoriu, se obişnuieşte să se determine coeficientul de pulsaţie, ca raport între diferenţa valorilor extreme şi debitul mediu Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive Pompele cu pistonaşe radiale au o suficient de mare răspândire, având avantajul că, printr-o dispoziţie a pistonaşelor pe mai multe rânduri, se pot obţine debite foarte mari, iar elementul de distribuţie, dată fiind dispoziţia radială a pistoanelor, este mai simplu. În schimb, au dezavantajul unor condiţii inerţiale inferioare celor cu pistonaşe axiale, datorită distribuţiei nesimetrice a unor mase de 37

36 rotaţie, cea ce limitează valorile turaţiilor maxime şi, deci, şi gabaritul lor este mai mare.[,] Fig..3. Pompe şi motoare cu pistonaşe radiale În (fig..3) se dau două scheme de principiu ale acestui tip de pompe şi motoare, din care rezultă că acestea pot fi subîmpărţite în două grupe distincte: cu aspiraţie (alimentare) interioară (fig..3 a) şi cu aspiraţie (alimentare) exterioară. Din aceste scheme se constată că, în prima fază 0-, are loc aspiraţia, iar în faza -, refularea. O altă clasificare principală poate fi făcută după ciclul funcţional. Astfel, cele din figurile.3,.5 şi.8 sunt cu simplă acţiune (la o rotaţie, pistonaşele realizează o cursă dublă şi, deci, o singură aspiraţie şi refulare), iar cu acţiune multiplă sunt cele din figurile.4 şi.5, la care pistonaşele realizează mai multe curse duble la o rotaţie, şi, deci, tot atâtea curse de aspiraţie şi refulare. Pompele şi motoarele cu pistonaşe radiale se construiesc pentru puteri mari, până la kw, pentru debite până la l/min, la presiuni care merg până la 300 dan/cm (pentru debite mici). De regulă, pentru presiuni de peste 300 dan/cm se recomandă folosirea unor motoare cu pistoane radiale de construcţie deosebită, având distribuţie cu supape. Relativ la turaţii, din motive dinamice, cum s-a mai arătat, aceste maşini se construiesc în două variante: de turaţie obişnuită, rot/min, şi de turaţii joase, cu acţiune multiplă, care pot lucra stabil la turaţii sub rot/min, până la nmax=00 rot/min sau până la 500 rot/min. aceste pompe şi motoare de turaţii joase pot lucra la momente ridicate, până la kgfm. La o serie de pompe şi motoare, construcţia pistoanelor este simplă, fără ghidare forţată, în care cazuri se recomandă diametre ale pistoanelor peste 6 mm la turaţii până la 000 rot/min, şi peste mm, la turaţii de până la 750 rot/min, pentru a avea o masă suficientă, care să le asigure o cursă completă de lucru. Ca o excepţie de la regulile arătate, motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie exterioară din fig..5, este recomandat de firmele străine ca putând să asigure un larg domeniu de reglare stabilă (comparabile cu motoarele cu pistonaşe axiale), 38

37 n max 00 R n, datorită dispoziţiei favorabile a momentelor date de fiecare n *** min piston în raport cu excentricitatea (fig..4). Calcule cinematice şi dinamice, proiectare şi tehnologie Calculul debitului şi pulsaţiei sale. Din fig..6 se vede că debitul elementar poate fi exprimat în forma: dp sdp sdr cos e cos sesin dp. debitul total poate fi exprimat prin relaţia: d Q q p zn0 sezn0 sin d ez. 0 Dimensionarea elementelor principale se face pornind de la debitul necesar. Diametrul pistoanelor se determină prin relaţia.5. Diametrul axului de distribuţie poate fi determinat cu relaţia empirică D 5...6Qmm.3 unde Q se ia în /min. diametrul bucşei de fricţiune, D, poate fi calculat cu relaţia: Db,5 Da.4 Diametrele rotorului şi, respectiv, statorului pot fi determinate cu relaţiile: D r D b c d ; D D.5 4 s r lungimea pistonaşelor poate fi determinată, în funcţie de diametrul acestora, cu relaţia: l,5...3,5 d 3.6 sau în funcţie de excentricitate. Excentricitatea e, poate fi aleasă în funcţie de debit; astfel, pentru debite cuprinse între 50 şi 400 l/min, se recomandă valorile e=0 4 mm. Excentricitatea poate fi determinată şi în funcţie de raza rotorului, cu relaţia e/r0,05. Numărul de pistonaşe se aleg, de asemenea, în funcţie de debit (capacitate).[,,,7] 39

38 Fig..4. Motorul hidraulic cu biele, cu aspiraţie exterioară[,] Fig..5. Repartiţia mometelor date de piston în raport cu excentricitatea[,] Fig..6. Calculul debitului şi pulsaţiei 40

39 Pompe şi motoare cu palete Pompele şi motoarele cu palete sunt unele din cele mai simple maşini hidraulice. Având în vedere simplitatea constructivă, siguranţa în funcţionare şi capacitatea, sunt destul de larg răspândite în construcţia de maşini, întâlnindu-se într-o serie destul de mare de variante constructive. Astfel, cele mai simple tipuri sunt pompele şi motoarele cu acţiune simplă, de regulă cu debit (capacitate) reglabilă, cu aspiraţie exterioară sau interioară (fig..7 a şi b). aceste pompe sunt compuse din carcasa statorică, palete, rotorul 3, şi axul motor 4. Denumirea lor este dată de modul de alimentare cu lichid. Pompele şi motoarele cu acţiune simplă, în general, de presiune medie, nedepăşind 00 dan/*cm, datorită unor forţe radiale neechilibrate. Debitele acestora merg până la 50l/min.[,] Fig..7. Pompe cu aspiraţie exterioară şi interioară[,] Pompele şi motoarele cu palete cu acţiune multiplă (fig.8, a şi b ), care sunt nereglabile, sunt datorită echilibrării forţelor radiale şi a reluării multiple pe perioada unui ciclu, foarte compacte, utilizându-se pentru presiuni până la 75daN/cm, la turaţii, pentru pompe, cuprinse între rot/min; la motoare această turaţie poate fi mărită de,5 ori. Debitele acestor pompe pot ajunge până la 950 l/min. Dacă se montează două pompe înseriate se pot obţine presiuni până la 50 dan/cm. Fig..8. Pompe şi motoare cu palete cu acţiune multiplă[,] 4

40 Referitor la forma constructivă a paletelor se constată că, în ultima vreme, pe lângă construcţia clasică (fig..9, a, b, c, d, e, f, ) au apărut forme noi, ca cele arătate în ( fig..9 g, h, I, j). Aceste forme permit o descărcare a statorului de forţe de presiune prea mari; de exemplu, în capetele înclinate cu pante opuse formează o cameră închisă 3, care comunică cu camera 4 de la baza paletei, printr-un canal de mare rezistenţă hidraulică. Ca rezultat, în camera 3 apare o presiune de descărcare sub valoarea presiunii din camera 4, asigurându-se astfel şi un contact permanent al paletei cu statorul. Descărcări similare se realizează şi la paletele din (fig..9, h, I, j). De regulă, camerele 4, de sub palete, comunică cu camerele de refulare şi aspiraţie în cele două semicicluri şi sunt izolate în zona l (fig..9 k şi l). În această zonă are loc o descărcare a paletelor, deoarece presiunea în cele două camere 3 şi 4 devine o medie aritmetică, p/, a diferenţei de presiune dintre camerele de aspiraţie şi refulare. În zona de aspiraţie lipseşte presiunea necesară asigurării unui contact sigur între paletă şi stator, motiv pentru care sub palete se introduc şi arcuri de siguranţă (nereprezentate în fig..9). pentru reducerea şocului de încărcare radială a paletei de către presiunea din camera de refulare, la trecerea paletei înspre această cameră (fig..9, l), se prevede un canal prelungit, care, cum s-a mai arătat, se foloseşte şi la alte tipuri de pompe şi motoare. Fig..9. Tipuri constructive de palete [,] 4

41 Pompe şi motoare cu angrenaj Generalităţi, scheme de principiu, variante constructive Pompele cu angrenaj sau pompele cu roţi dinţate, cum li se mai spune, au o mare răspândire în construcţia de maşini, datorită simplităţii constructive, preţul de cost redus şi unei mari siguranţe în funcţionare. Acestea se utilizează pentru o mare gamă de presiuni şi debite. [,] Pompele cu roţi dinţate pot fi clasificate după: ) tipul angrenajului (elvolventic sau cicloidal); ) forma danturii (interioară, exterioară, cu dinţi drepţi, înclinaţi sau în v); 3) valoarea nominală a presiunii (joasă presiune, presiune medie şi înaltă presiune); 4) reglabilitate (cu debit sau capacitate constantă şi reglabilă); 5) numărul rotoarelor (birotor şi multirotor), figura.0. Fig..0. Scheme de principiu folosite în construcţia pompelor cu angrenaj În figura.0 sunt prezentate câteva din schemele de principiu folosite în construcţia pompelor cu angrenaj. Astfel în figura.0.a este reprezentată o pompă cu doi rotori, la care se poate urmării şi principiul de funcţionare. 43

42 La aceste pompe rolul de cupe îl au golurile dintre dinţii care transportă lichidul din camera de aspiraţie în camera de refulare, în sensul săgeţilor. Tot în aceiaşi figură se pot remarca şi simplitatea constructivă, în componenţa pompei intrând, în afară de rotor, carcasa şi axele şi 3. În figurile.0 b, c, d şi e sunt prezentate schemele de principiu ale unor pompe multirotori, la care, în afară de avantajele măririi debitelor şi echilibrării forţelor radiale, se pot realiza şi o serie de trepte de presiune, prin legarea rotorilor în serie (refularea unui cuplu de rotori se leagă la aspiraţia celui de-al doilea etc.), sau în serie-paralel, ceea ce măreşte randamentul volumic şi domeniul de presiuni. Spre deosebire de schemele precedente, la care variantele prezentate sunt un avantaj exterior, în figura.0 f şi g, se prezintă două pompe cu angrenaj interior. Astfel în figura.0 f, este reprezentată o pompă clasică cu angrenaj interior care funcţionează după acelaşi principiu ca şi cele cu angrenaj exterior, acestea au avantajul unei compactităţi mai mari, dar, în schimb, au şi o construcţie mai complicată, motiv pentru care nu au primit o răspândire mai mare. În (fig..0 g), este prezentată o pompă orbitală sau satelitică, cu profil cicloidal şi care, în ultimii ani, a căpătat o răspândire mai mare, datorită unor avantaje ca, randamentul ridicat, o uniformitate mai mare a debitului decât la cele obişnuite, compactitate mare. Aceste construcţii se folosesc în special ca motoare, fiind superioare în multe privinţe motoarelor hidrostatice clasice.[,,,7] În (fig..0 h), este prezentată o variantă mai recentă a motoarelor orbitale denumite motoare vectoriale, care au avantajul folosirii danturii evolventice şi se caracterizează printr-un cuplu ridicat, turaţii mici stabile, un moment de inerţie extrem de redus, gabarit şi greutate de asemenea mult reduse faţă de alte motoare similare. Conform celor prezentate la acest motor, coroana dinţată nu are mişcare de rotaţie în raport cu axa roţii fixe, ci o mişcare oscilatorie în direcţie radială, astfel încât centrul său se mişcă după un cerc cu raza r, formând cu pinionul arbore 3 un angrenaj cu I=5/l. Jocul dinte coroanele şi este împărţit în 6 camere active cu ajutorul paletelor superioare 4. Fiecărei camere îi corespunde un orificiu de alimentare p, practicat în partea laterală a motorului, şi unul de evacuare, p. Legătura camerei active cu unul sau altul din orificii şi cu canalul de distribuţie 5 se asigură automat, prin mişcarea coroanei. Un motor hidraulic planetar de mare moment şi stabilitate, de dată şi mai recentă este prezentat în (fig..0 I). Motorul este compus din pinioanele motoare Z Z4, stator-coroană distanţă, fix, rotorul şi camerele de alimentare3, 4, 5 şi 6. Rotorul este format din două părţi, asamblate cu prezoanele 7 şi în care se montează axele şi, respectiv, lagărele pinioanelor Z- Z4. Alimentând cu lichid sub presiune camerele 3, 4, 5 şi 6 roţile Z-Z4 se rotesc în sensul săgeţilor n, iar rotorul, împreună cu roţile Z-Z4 în sensul săgeţii n. Prin modul de funcţionare, motorul constituie şi un reductor planetar. Pompele cu roţi dinţate se folosesc pentru o gamă largă de presiuni, începând de la 3-5 dan/cm, (pentru pompele de ungere şi răcire) mergând până la pompe de dan/cm. 44

43 Debitele acestor pompe sunt cuprinse între 0 şi 000 l/min, iar turaţiile între 000 şi 3000 rot/min. În unele cazuri, pentru debite mici, unele firme construiesc pompe, cu lagăre de alunecare, la turaţii de rot/min. Fig... Pompe cu angrenaj[,,7] În figurile. a, b, sunt prezentate unele construcţii de pompe cu angrenaj. Astfel, în figura 3. sunt prezentate două pompe de construcţie obişnuită, prima, cu lagăre de alunecare, cea de-a doua, cu rulmenţi. În (fig..) este prezentată o pompă de înaltă presiune (00 dan/cm ) cu compensare automată a jocurilor frontale, cu lagăre de alunecare. Două pompe de înaltă presiune ale firmelor Keelavite şi Hydreco, cu lagăre cu rulmenţi şi care lucrează la presiuni de 40 dan/cm, sunt prezentate în (fig. a şi b). pentru etanşarea pompei din (fig. b), se folosesc două membrane bimetalice, la care, pe partea dinspre rotori, este depus un strat de bronz (Sn-8,96%; Pb-9,87%; Cu-8,7%). Creşterea etanşării se realizează prin compensarea jocului frontal dintre rotori şi membrane prin presiunea lichidului asupra membranelor. Compactitatea acestei pompe se obţine prin folosirea unor rulmenţi cu role de înaltă calitate şi portanţă, capabili a prelua sarcinile mari ce acţionează în lagăre. În ţara noastră sunt tipizate pompele cu roţi dinţate având volumul geometri Vg cuprins între şi 5 cm 3 /rot, presiunile nominale pn=5dan/cm şi pn=00dan/cm, turaţiile cuprinse între 750 şi 3000 rot/min şi debite cuprinse între 6 şi 60 l/min. Calculul debitului pulsaţiei de debit şi momentul pentru pompele de danturi evolventice multirotor. Dacă se foloseşte metoda echivalenţei. debitul elementar furnizat de o pereche de dinţi se poate scrie sub forma: dq Md p.7 45

44 Rotorul conducător este descărcat de forţe radiale, dar asupra rotorilor conduşi acţionează forţele Fr care pot fi exprimate cu relaţi Fr,4 pd e.8 Pompe cu pistoane profilate (fig..) funcţionează similar cu cele cu roţi dinţate cu deosebirea că profilul dintelui este similar cu cel al pompelor orbitale, deci profilul cubiliniu. Numărul acestor dinţi este mic, sau 3, iar contactul danturii se face pe linia centrală. Aceste pompe n-au căpătat o răspândire mare.[,,,7] Fig... Pompe cu pistoane profilate Motoare Harmann. Acestea (fig..3) sunt motoare de înaltă stabilitate, care se folosesc în subansamblurile amplificatoarelor de maşini unelte cu comanda numerică. Firma garantează o funcţionare stabilă până la n=0, rot/min. la aceste motoare alimentarea se realizează prin canalele b sau a, în funcţie de sensul de mişcare al rotorului. Lichidul sub presiune pune în mişcare rotorul, prin intermediul paletelor 3. Etanşarea se realizează cu ajutorul axelor segmentate 4, din corpul, legate cinematic prin angrenaj cu rotorul, pentru sincronizarea mişcărilor de trecere a paletelor. O altă variantă este prezentată în (fig..4). Fig..3. Motoare Hartmann 46

45 Fig..4. Motoare Hartmann cu axe segmentate Motoare Rollstar. Motoarele firmei Rollstar, (fig..5) cu rotor concentric, se folosesc la prese, escavatoare, maşini de ridicat, maşini de frezat etc., fiind maşini de mare moment (M=( )kgfm, la p=80dan/cm şi la n=60 rot/min). motorul poate funcţiona stabil la turaţii între şi 000 rot/min. Rotorul-piston, cu 6 palete proeminente din aceeaşi bucată, are o foarte mică inerţie. Echilibrarea statică şi dinamică se asigură prin montarea diametral opusă a camerelor de alimentare şi evacuare, precum şi prin prezenţa unor camere de descărcare. Motorul este inclus într-un bloc cu reductor planetar cu, sau 3 trepte de cuplare. Ca principiu de funcţionare, aceste motoare se aseamănă cu motoarele Hartman Pompe şi motoare liniare Fig..5. Motorul Rollstar În cadrul acestui paragraf vor fi prezentate acele pompe şi motoare la care elementul activ (plonjorul sau pistonul) are o mişcare rectilinie cu un singur grad de libertate. Este vorba, aici, de pompele cu plonjor, cu excentic, de motoarele rectilinii etc. Pompe cu plonjoare şi excentric. Pompele clasice cu plonjoare, de construcţie verticală sau orizontală (.0) (folosite în special la staţiile de pompare de la presele hidraulice), cu bielă manivelă (fig..6), au suferit în ultima perioadă modificări constructive, care le-a permis creşterea substanţială a presiunii, de la

46 dan/cm la dan/cm. În (fig..7) se prezintă scheme pentru astfel de pompe. Fig..6. Pompe liniare cu mecanism bielă manivelă Figura.7 a, reprezintă o pompă cu plonjor, acţionată cu camă sau excentri 4, având distribuţie cu supape ( şi 3) şi capabilă să funcţioneze până la presiuni de 000 dan/cm. Similare ca principiu de funcţionare, dar cu dispunerea plonjoarelor diametral opuse, în linie sau radial, sunt şi pompele prezentate în (fig..7, b şi c respectiv d). la pompa din (fig..7, b) este caracteristic faptul că aspiraţia se realizează, nu prin supape, ci prin canalele a, după trecerea plonjorului b de canalul circular c. 48

47 Fig..7. Pompe cu plonjor În (fig..8) este prezentată o pompă de presiune ultraînaltă cu excentric, prevăzută cu multiplicator inclus pentru fiecare plonjor, realizând o presiune de peste 4000 dan/cm. Fig..8. Pompă de înaltă presiune 49

48 Calculul debitului şi pulsaţiei de debit. Schema de principiu a unei pompe cu excentric este reprezentată în (fig..9). prin rotaţia excentricului şi sub acţiunea arcului 3, plonjorul se va deplasa în sus sau în jos, realizând refularea, şi, respectiv, aspiraţia, prin supapele 4 sau 5. Debitul pompei poate fi calculat cu expresia: d Q qn0 ezn0.9 pentru cazul obişnuit şi cu relaţia: d Q qn0 e xzn0.0 4 pentru cazul când supapa de aspiraţie este montată în capul pistonului, cursa acestuia micşorându-se, în acest caz cu valoarea x. Pentru determinarea pulsaţiei de debit este necesar a se calcula debitul instantaneu specific (.7): d d e sin q ins v wein. 4 4 r unde r este axa excentricului, iar unghiul poziţional. Coeficientul precedente. Alegând în mod corespunzător înălţimea maximă de deschidere a arcului forţa de pretensionare, se poate asigura o funcţionare normală a supapelor la turaţii de până la rot/min. de pulsaţie se determină în mod similar cu cazurile Fig..9 Motoare hidraulice rectilinii (liniare) 50

49 Scheme şi variante constructive. Motoarele hidraulice rectilinii au o foarte largă răspândire în sistemele de acţionare hidrostatică. Aceste motoare pot fi clasificate, după criterii funcţionale şi constructive, în: motoare cu acţiune simplă sau dublă, motoare simple sau diferenţiale, motoare cu piston sau plonjor, motoare mono sau multicilindru, precum şi diverse combinaţii ale acestora.[,,,7] În (fig..) sunt prezentate o serie de scheme de principiu ale motoarelor rectilinii, şi anume: a motor monocilindru, diferenţial cu acţiune dublă, cu piston mobil; b acelaşi tip însă cu cilindru mobil; c motor monocilindru cu acţiune dublă şi tija dublă (nediferenţial) cu piston mobil; d acelaşi tip, dar cu cilindru mobil; e motor bicilindru cu plonjor, cu acţiune dublă, cu plonjoare mobile; f acelaşi tip, cu cilindru mobil; g motor bicilindru diferenţial, cu piston mobil, cu acţiune dublă; h motor bicilindru diferenţial, cu piston fix, telescopic; I motor diferenţial, bicilindru, telescopic, cu piston mobil; j motor monocilindru, cu piston, cu acţiune simplă; k motor tricilindru, diferenţial, telescopic, cu pistoane mobile; l motor multicilindru, diferenţial telescopic cu piston şi plonjor mobil; m motor cu simplă acţiune cu plonjor principal şi plonjoare auxiliare; n motor cu plonjor principal diferenţial cu acţiune simplă şi cu plonjoare diferenţiale; o motor combinat, cu plonjor principal şi cu motoare auxiliare cu pistoane cu dublă acţiune; p motor principal cu piston cu acţiune dublă şi cu plonjoare cu acţiune simplă. Din figurile prezentate se constată că unele motoare au o cursă L=H, iar altele au H în funcţie de construcţia acestora. Fig... Pompe şi motoare axiale 5

50 .5 Calculul motoarelor hidraulice rectilinii Calculul motoarelor hidraulice rectilinii constă în determinarea presiunii şi debitului necesare realizării forţei active la piston şi, respectiv, vitezei de lucru şi de mers în gol pe care motorul trebuie să le dezvolte. Forţa activă dezvoltată de motorul hidraulic depinde de suma tuturor forţelor rezistente şi va fi realizată de presiunea activă pa care va putea fi determinată din ecuaţia de echilibru static: p s p s R a e 0 în care R reprezintă suma forţelor rezistente, care, conform (fig..), poate fi exprimată prin relaţia 3.3:. Fig.. Model de entanşare al motoarelor hidraulice R i F etl F f gh F s dv m dt.3 în care: Fetx reprezintă forţa de frecare într-un anumit element de etanşare; Ffgh - dv reprezintă forţa de frecare în ghidaj; Fs este sarcina activă; m - forţa dinamică nt (inerţia). Din expresia. se determină presiunea activă în motor: s f pa pe.4 s s iar presiunea de lucru a pompei de acţionare a motorului se determină cu expresia: 5

51 p p p a i p.5 unde: p este suma pierderilor de presiune liniare şi locale în conducte, armături, aparate, etc., montate pe traseul hidraulic între pompă şi motor.[,,,7,3] Determinarea factorilor din membrul al doilea ai relaţiei.3 nu prezintă dificultăţi, cu excepţia forţei dinamice, care se va calcula în cele ce urmează. Pentru determinarea secţiunii active a motorului în expresia.4 se consideră că evacuarea lichidului la rezervor se face liber, deci p 0 şi în consecinţă: Fig..3. Suma forţelor rezistente într-un motor hidraulic liniar s D d R.6 4 p e În cazul în care forţa ce acţionează în tijă este aceeaşi în ambele părţi (tijă Di egală dublă), diametrul tijei se poate lua d iar diametrul cilindrului rezultă: D i 8R p e.7 iar dacă tija este unilaterală, diametrul DI va avea valoarea: 4R Di p e.8 Având în vedere că relaţia.8 dă mai multe soluţii, se alege în prealabil o valoare optimă a presiunii active pa, după care se poate determina diametrul cilindrului. În ultima vreme, pe baza tehnicilor moderne de calcul, s-a stabilit ca valoarea optimă a presiunii pa=50 50 dan/cm în sistemele de acţionare hidraulică a maşinilor unelte, şi pa=00 50 dan/cm, pentru sistemele hidraulice 53

52 de acţionare a maşinilor şi utilajelor mobile. Pentru presele hidraulice dan/cm, iar pentru cele de mare tonaj presiunea pa merge până la 000 dan/cm şi chiar mai mult. Cunoscând forţa maximă dezvoltată de motorul hidraulic se poate determina şi debitul Q necesar pentru realizarea unei viteze v, din egalitatea: Fmv Qpe P deunde: Fmv Q.0 0 p e În cazul acţionării hidraulice la maşinile-unelte, dimensionarea cilindrului se face după alte criterii, avându-se în vedere asigurarea unei rigidităţi maxime a sistemului, deci prezenţa unei cantităţi minime de lichid în motor..6 Motoare hidraulice oscilante Motoarele hidraulice oscilante se întâlnesc mai rar decât cele rotative sau liniare, şi anume atunci când organul de lucru necesită o mişcare de rotaţie incompletă oscilantă, cu unghiul de oscilaţie (ca, de exemplu, în lanţurile cinematice de avans intermitent de la maşinile unelte, în reglarea automată a debitului unor pompe şi la diverse alte servocomenzi). Aceste motoare se întâlnesc sub două variante constructive (fig..4, a, b, c). Fig..4. Motoare hidraulice oscilante 54

53 .6. Calculul motoarelor hidraulice oscilante Din figura.5 se poate determina: Fig..5. Calculul motorului hdraulic oscilant Momentul teoretic dezvoltat de motor la arbore: M p D d b D d PR 4 pb 8 D d. pentru motorul cu paletă oscilantă (fig..5, a), sau: D d. pxb M 8 pentru motoarele cu z palete; pentru motoarele cu plonjor, în mod similar: M d pf.3 4 În cele trei relaţii p reprezintă diferenţa de presiune dintre camerele de alimentare şi evacuare ale motorului şi care, în cazul pa 0, se poate aproxima p=pa=p. Motoarele oscilante pot fi folosite pentru momente mari şi presiuni ridicate, până la 00 dan/cm. 55

54 3. MOTOARE TERMICE 3. Generalităţi Motorul este o maşină care are rolul de a transforma o formă de energie, în energie mecanică. După forma de energie primară folosită, motorul primeşte denumirea sa. Astfel, motorul care foloseşte energia unui lichid se numeşte motor hidraulic. Motorul care foloseşte energia cinetică a maselor de aer (forţa vântului), se numeşte motor eolian sau aeromotor. Motorul care foloseşte energia electrică, se numeşte electromotor.[,8,8,0,] Motorul care foloseşte drept formă de energie primară căldura, se numeşte motor termic. Toate aceste forme de motoare, folosind o formă de energie, produc energie mecanică pe care noi o obţinem sub formă de mişcare de rotaţie. Cu ajutorul motoarelor, acţionăm diferite maşini unelte sau maşini lucrătoare. Încă din vechime omul a căutat sursa de energie care să nu oblige aşezarea instalaţiei producătoare de forţă într-un anumit loc, ca în cazul motoarelor hidraulice si eoliene. În acest scop, au fost făcute diferite încercări pentru folosirea aburului. La începutul secolului al XIX-lea, maşinile cu aburi încep să fie folosite nu numai ca maşini staţionare ci şi în procese mobile. La maşina cu aburi, arderea combustibilului are loc într-un focar separat, iar transformarea energiei termice în energie mecanică se face în cilindrul unui motor. Deoarece arderea combustibilului are loc în afara cilindrului motorului, ele au fost denumite motoare termice cu ardere externă. La aceste motoare pierderile de căldură sunt foarte mari şi ca urmare randamentul lor termic este scăzut. Pierderile de căldură pot fi evitate numai dacă combustibilul se arde direct în cilindrul motorului. Asemenea motoare la care arderea combustibilului se produce în interiorul cilindrului, se numesc motoare termice cu ardere internă. La motoarele termice cu ardere internă, transformarea energiei termice în lucru mecanic are loc chiar în interiorul cilindrului. Fiindcă arderea combustibilului are loc direct în cilindrul motorului, aceste motoare sunt mai economice decât motoarele cu aburi. În afară de aceasta, motoarele cu ardere internă mai au avantajul că prezintă o construcţie compactă, dimensiuni mai mici, au pornire şi oprire rapidă şi uşoară. 3. Clasificarea motoarelor cu ardere internă Motoarele cu ardere internă pot fi clasificate în mai multe feluri, după o serie de factori care caracterizează construcţia motorului şi determină tipul lui. După destinaţie: motoare staţionare, carosabile, auto transportabile. Acestea din urmă pot fi: de tractor, automobil, avion, etc. 56

55 După felul formării amestecului carburant: motoare cu formarea amestecului în exterior, numite motoare cu carburator, şi motoare cu formarea amestecului în interiorul cilindrilor, care sunt motoarele Diesel şi motoare cu catalizator. După modul de aprindere al amestecului carburant: motoare cu aprindere de la scânteia electrică, motoare cu aprindere de la un corp incandescent numit calorizor sau cap de aprindere, motoare cu aprindere prin compresie (motoare cu autoaprindere sau Diesel). După modul de efectuare a procesului de lucru: motoare în doi timpi şi motoare în patru timpi. [,8,8,,33] După numărul cilindrilor: cu un cilindru sau monocilindric şi cu mai mulţi cilindri sau policilindrice, care pot fi cu, 3, 4, 6, 8, cilindri etc. După poziţia cilindrilor: motoare cu cilindri aşezaţi vertical, orizontal, în linie, în stea, în unghi sau în V. După turaţia arborelui cotit: motoare cu turaţie mică sau lente şi motoare cu turaţie mare sau rapide. După modul cum se face răcirea motorului: motoare răcite cu aer şi motoare răcite cu apă. Caracterizarea completă a unui motor poate fi făcută prin numerarea cel puţin a unui părţi din criteriile principale de clasificare, spre exemplu: motor staţionar, cu combustibil lichid, Diesel, în patru timpi, cu cilindri verticali, cu turaţie mică şi răcire cu apă. Destinaţia motorului determină în mare măsură construcţia lui. Astfel, greutatea motorului joacă un rol de seamă la motoarele de automobile şi de tractoare, fiind de mai mică importanţă la cele staţionare. De asemenea şi felul combustibilului folosit determină construcţia motorului. Motoarele care funcţionează cu petrol, benzină şi alţi combustibili uşori au sistemul de alimentare construit cu totul diferit faţă de motoarele care funcţionează cu motorină. 3.3 Procesele termodinamice de bază În termodinamică, sunt patru procese sau transformări caracteristice şi anume: - transformarea izocoră sau la volum constant; - transformarea izobară sau la presiune constantă - transformarea izotermă sau la temperatură constantă; - transformarea adiabată, care decurge fără schimb de căldură cu mediul exterior. În afară de aceste procese sau transformări, în cursul cărora variază unul sau doi parametri, mai există o grupă de procese la care variază toţi parametri şi are loc schimbul de căldură şi mediul exterior. 57

56 Asemenea transformări se numesc transformări politrope. O transformare politropă poate cuprinde cele patru procese enumerate mai sus şi o serie de procese intermediare reprezentând cazul general al tuturor celorlalte procese Transformarea izocoră Transformarea izocoră sau proces termodinamic izocor, se numeşte o schimbare de stare a agentului motor, schimbare în cursul căreia volumul său rămâne constant. Acest proces se poate desfăşura numai într-un spaţiu închis, volumul păstrându-se acelaşi în tot parcursul aportului sau cedării de căldură. Grafic, în coordonatele pv (fig. 3.4) transformarea izocoră se reprezintă printr-o linie dreaptă verticală, paralelă cu axa presiunilor, numită izocoră. În această reprezentare toate punctele liniei procesului sunt egal depărtate de axa presiunilor şi deci volumul va fi constant.[,8,7] Pentru cantitatea de kgf de gaz al cărei stare este reprezentată în diagrama prin punctul, putem scrie ecuaţia de stare: pv =RT sau, acelaşi lucru, putem scrie sub forma: p R T v Partea din dreapta a egalităţii fiind constantă, înseamnă că şi partea din stânga, adică raportul p T va fi constant. Dacă transformarea decurge de la starea la starea, arbitrar luate de noi, pentru cele două stări vom avea: p R p şi R T v T v de unde rezultă că: p T p T sau p p T T 3.9 Aceasta rezultă că în transformarea izocoră, presiunile gazului sunt direct proporţionale cu temperaturile sale absolute. 58

57 Fig.3.4. Transformarea iyocoră în coordonate p-v[8.7] În procesul izocor volumul fiind constant rezultă că nu se va efectua lucrul mecanic, adică: l = 0 În acest caz ecuaţia primului principiu al termodinamicii va avea o formă simplificată, fără termenul care reprezintă lucrul mecanic, adică q = u - u kcal/dan (3.0) sau: q = cv(t T) kcal/dan (3.) în care: cv este căldura specifică a gazului, la volum constant. Ecuaţiile de mai jos arată că în procesul încălzirii gazului la volum constant, toată căldura comunicată este folosită pentru variaţia energiei interne a gazului. Dacă avem călduri specifice variabile, atunci luăm media, deci: q = cvm(t T) kcal/dan (3.) în care: cvm este căldura specifică medie, în transformarea la volum constant. Pentru o cantitate de G kg gaz, vom avea: Q = Gcv(T T) sau: Q = Gcvm(T T) Relaţia (4.0) a transformării izocore este o formă particulară a ecuaţiei generale a primului principiu al termodinamicii care arată că, cantitatea de căldură q, este consumată numai pentru variaţia energiei interne a gazului. q = u u Dar din studiul căldurilor specifice cunoaştem că pentru a încălzi la volum constant kgf de gaz, este necesară o cantitate de căldură q c T T v Rezultă că pentru kgf de gaz, variaţia energiei interne va fi: u u cv T T

58 iar pentru G kg de gaz vom avea: U U Gcv T T 3.4 În acest caz, ecuaţia primului principiu al termodinamicii poate fi scrisă sub forma: q cv T T Al 3.5 sau Q Gcv T T Al Transformarea izobară Transformarea izobară este o schimbare de stare a agentului motor, în cursul căreia, presiunea rămâne constantă. Grafic, transformarea izobară poate fi reprezentată în diagrama pv printr-o linie paralelă cu axa absciselor (fig.3.5). În acest fel pentru orice poziţie cuprinsă între starea şi presiunile vor fi egale. Analiza procesului pentru kgf de gaz se face la fel ca în cazul transformării izocore. [,8,7] Ecuaţia de stare (pv=rt) o putem scrie sub forma: v R T p Deoarece partea dreaptă, pentru acest proces, este o mărime constantă rezultă că şi partea stângă v constan t T Fig.3.5. Transformarea izobară în coordonate p-v[8,7] Acest lucru îl putem scrie pentru orice stare a procesului. Deci, pentru starea şi avem v v T T T v T v sau

59 ceea ce reprezintă expresia matematică a legii Gay-Lussac. Rezultă că în transformarea izobară volumele masei gazului sunt direct proporţionale cu temperaturile lui absolute. Lucrul mecanic pentru kgf gaz va fi egal cu produsul dintre presiune şi variaţia volumului specific sau dilatare, ceea ce se poate scrie sub forma: I pv v 3.8 Cunoscând ca în aportul de căldură la presiune constantă pentru kgf de gaz cu C, lucrul mecanic reprezintă constanta specifică a gazului R, putem scrie: I RT T 3.9 Căldura exterioară care participă în acest proces va avea valoarea q cpt T 3.0 în care: cp este căldura specifică a gazului în transformarea la presiunea constantă. Deoarece variaţia energiei interne nu depinde de caracterul procesului, ea se va calcula după relaţia generală: u u cv T T 3. Pentru G kgf de gaz, lucrul mecanic va fi: L lg pgv Gv pv V 3. iar cantitatea de căldură şi energia internă: Q Gq Gc T T 3.3 p T T 3.4 U U Gcv Din (fig.3.5), se vede că în transformarea izobară gazul trecând de la starea la starea îşi măreşte volumul şi conform relaţiei 3.7 în starea şi temperatura gazului va fi mai mare. Aceasta înseamnă că în procesul izobar, atunci când are loc o creştere a volumului se face o acumulare de căldură şi gazul îşi măreşte temperatura. Invers, dacă are loc o comprimare în care procesul decurge de la starea la starea se va face o îndepărtare de căldură iar temperatura gazului scade. Diferenţa dintre căldurile specifice ponderale la volum constant cv şi la presiune constantă cp este dată de relaţia: c p c v AR pe care o putem transcrie sub forma: c c AR p v Dacă în această relaţie înmulţim ambele părţi cu T-T, vom avea: c T T c T T AR T p 3.5 v T După cum se vede, în partea stângă avem expresia cantităţii de căldură necesară pentru încălzirea la presiune constantă a kgf de gaz de la temperatura T la T. 6

60 În partea dreaptă, primul termen reprezintă cantitatea de căldură pentru încălzirea la volum constant a kgf de gaz de la temperatura T la T ceea ce constituie variaţia energiei interne u, iar termenul al doilea, lucrul mecanic exterior. Dacă admitem că gazul a fost încălzit de la temperatura T=0K, la temperatura T=TK, atunci relaţia (3.5) o putem scrie sub forma: c T c T ART p v deoarece conform acestei ecuaţii de stare avem pv=rt, atunci: c T c T Apv sau T u Apv p v c p Partea dreaptă a expresiei reprezentând suma unor mărimi termodinamice care determină starea gazului, adică suma unor mărimi de stare, şi partea stângă a expresiei va fi tot o mărime sau un parametru de stare. Această mărime se numeşte entalpie sau conţinut de căldură. Obişnuit entalpia se notează cu I, deci: T i u Apv sau i u Apv 3.6 c p Entalpia unui corp reprezintă căldura totală care este furnizată acelui corp sub presiunea constantă, de la o stare, convenţional denumită, starea iniţială. Entalpia se calculează obişnuit de la 0K sau 0C, dar ca şi în cazul energiei interne, nu interesează prea mult valoarea ei absolută, ci variaţia ei. Entalpia poate fi calculată de la orice stare stabilită convenţional ca iniţială. Dacă la temperatura T sau t pentru cv=constant, entalpia gazului este: i c T sau i c t p p iar la temperatura T sau t: i c T sau p atunci variaţia entalpiei pentru kgf de gaz, la încălzirea lui de la temperatura T la T sau t la t va fi: i i c T sau T p i p i c t i c p t t 3.7 Din această relaţie se vede că entalpia, la fel ca şi energia internă, depinde de temperatura gazului. De asemenea se poate deduce că în procesul izobar, consumul de căldură poate fi determinat prin relaţia: q p i i 3.8 din care se vede că el este egal cu diferenţa dintre entalpia finală şi entalpia iniţială. În cazul când în loc de călduri specifice constante avem călduri specifice variabile, atunci se iau valorile căldurilor specifice medii şi vom avea: 6

61 i c pm T sau i c pm t Transformarea izotermă Transformarea izotermă sau proces izotermic se numeşte acea schimbare a stării agentului motor, în cursul căruia temperatura lui rămâne constantă. [,8,7] Matematic, condiţia de desfăşurare a procesului se exprimă prin relaţia: T ct Să analizăm în acest caz procesul izotermic realizat de kgf de gaz. Din ecuaţia de stare: pv=rt Rezultă că partea dreaptă a ecuaţiei este constantă, deoarece atât R cât şi T sunt constante. Urmează că şi partea stângă trebuie să fie constantă, adică: pv ct Deci, pentru orice stare a gazului, produsul dintre presiune şi volum este constant. În baza acestui fapt putem scrie relaţia: p v pv pv ct sau 3.9 p v Rezultă că în procesul izotermic presiunile gazului dat sunt invers proporţionale cu volumele masei lui. Cunoscând valoarea constantei, putem construi, în coordonate pv, curba acestui proces. Curba obţinută se numeşte izotermă, iar în matematică o asemenea linie se numeşte hiperbolă echilaterală. Pentru a determina caracterul unei asemenea curbe este suficient să avem cinci puncte (fig.3.6). Dacă avem punctul al gazului caracterizat prin parametrii pv şi făcând parte din curbă, pentru construcţia grafică a izotermei deducem prin acest punct o paralelă cu abscisa şi o paralelă cu ordonata. Apoi din origine, după voie, deducem nişte raze care întretaie cele două drepte în punctele aa, bb, cc şi dd. Din punctele de întretăiere a şi a, b şi b etc. trasăm paralelele cu abscisa şi respectiv ordonata, paralele care se vor întretăia în punctele, 3, 4, 5 Fig.3.6. Transformarea izotermă în coordonate p-v[8,7] 63

62 Aceste puncte aparţin curbei izoterme şi prin reunirea lor obţinem curba dată. În transformarea izotermă lucrul mecanic se determină prin relaţia: v l = pvln sau: l = pv,3 log (3.30) v Ştiind că în acest proces raportul volumelor este invers raportului presiunilor, prin înlocuire obţinem: Sau: l = pv,3 log p p Dar produsul pv fiind egal cu RT, putem scrie: l=rt,3 log v v sau: l=rt,3 log Pentru o cantitate G kgf gaz, lucrul mecanic va fi: L=Gl unde L=,3pVlog L=,3pVlog p p sau: v v L=,3GRTlog p p p p (3.33) (3.3) Cantitatea de căldură care ia parte în procesul izotermic, o putem deduce din formula generală a căldurii pentru Kg de gaz: q u u Al deoarece: u u cv T T şi: T T deci T T 0 vom avea: u u 0, sau u u ceea ce arată că în procesul izotermic energia internă a gazului nu se schimbă, deci toată cantitatea de căldură ce ia parte în proces se consumă pentru efectuarea lucrului mecanic exterior. Un asemenea proces se numeşte un proces izodinamic. În baza acestei concluzii putem scrie: q Al 3.34 iar pentru G kg gaz: Q G.Al AL Deoarece efectuarea lucrului mecanic este legată de dilatarea gazului, rezultă că la dilatarea izotermă, trebuie comunicată gazului o cantitate de căldură 64

63 echivalentă lucrului mecanic necesar de efectuat, iar la comprimarea izotermă, trebuie îndepărtată o cantitate de căldură echivalentă lucrului mecanic consumat pentru comprimare Transformarea adiabatică Proces adiabatic sau transformare adiabatică se numeşte procesul la care schimbarea stării unui gaz (sau în general a unui agent motor) are loc fără schimb de căldură între gaz şi mediul exterior. Matematic aceasta se exprima prin relaţia: Respectarea acestei condiţii este posibilă în două cazuri şi anume: când gazul supus transformării adiabatice este închis într-un cilindru complet izolat încât căldura nu are posibilitatea să treacă prin pereţii cilindrului şi izolaţiei, sau când procesul de transformare decurge extraordinar de repede şi nu are timp să se producă schimbul de căldura dintre gaz şi mediul exterior. [,8,7] În practică asemenea procese sunt foarte greu de realizat şi se admit cu o oarecare aproximaţie. De obicei în termotehnică sunt considerate procese adiabatice, dilatarea şi comprimarea care decurg foarte repede. În coordonate pv, transformarea adiabatică poate fi reprezentată grafic printr-o curbă numită adiabată, care se deosebeşte de izotermă prin aceea că are o poziţie mai verticală (fig.3.7). Ecuaţia transformării adiabatice reprezentată în coordonate pv, pentru l kg de gaz, are expresia: pv k =ct (3.35) în care: k= c c p v q 0 =,4 (pentru gazele biatomice) şi se numeşte exponent adiabatic. În transformarea adiabatică parametrii de bază, p, v şi T variază, astfel că trebuie să avem trei ecuaţii care să redea legătura dintre ei. Dependenţa dintre p şi v este stabilită prin ecuaţia pv k = ct din care rezultă: p v k p v pv ct sau: 3.36 p v k k Fig.3.7. Poziţia reciprocă a izotermei şi adiabatei în coordonate p-v 65

64 Între v şi T legătura se stabileşte prin relaţia: Tv k k ct din care rezultă că: T v T v ceea ce poate fi scris sub forma: k ct T T v k k v sau : T T v v k 3.37 iar legătura între p şi P se stabileşte prin relaţia: T ct k p k din care rezultă că: T T T p k ct sau : 3.38 k k T p k p k p La determinarea lucrului mecanic şi variaţia energiei interne pentru un kgf de gaz, conform primului principiu al termodinamicii avem: q u u Al şi pentru că în procesul adiabatic căldura exterioară nu ia parte, q 0 atunci: u Al 0 sau: Al u u şi u k u u l A u u A 3.39 însă: iar: u u c T şi: u u c T v T c (T T ) c v v l A A T T v T Cunoscând că: R T T k c v AR atunci8, k c v A AR A k R k Deci: l

65 Însă RT =pv şi RT=pv şi atunci: l p v p k v 3.4 Dacă din expresia (3.40) a lucrului mecanic scoatem pe T din paranteză, vom avea: RT T l k T şi în acelaşi fel: p v p v l ştiind însă că: k p v ecuaţia: Al u se poate deduce că: u u u T T v v k Al u u 3.46 Din expresia lucrului mecanic rezultă că energia internă în starea iniţială este mai mare decât în starea finală (u > u), adică în procesul adiabatic de destindere energia internă s-a micşorat. Întotdeauna deci în procesul adiabatic lucrul mecanic de destindere se va face pe socoteala energiei interne a gazului Transformarea politropă Toate procesele sau transformările caracteristice studiate până în prezent şi anume transformarea izocoră, izobară, izotermă şi adiabatică au specific faptul că în cadrul fiecăruia se stabilea o limitare asupra unui parametru de bază p, v, t şi q. Fiecare transformare s-a putut exprima matematic printr-o ecuaţie caracteristică: transformarea izocoră..v = ct transformarea izobară..p=ct transformarea izotermă T=pv=ct transformarea adiabatică pv k =ct 67

66 Fiecare din aceste procese poate fi reprezentat în diagrama pv fie printr-o linie dreapta fie printr-o linie curbă. Reprezentând toate procesele într-o singură diagramă, ele pot trece prin acelaşi punct comun A (fig.3.8). Fig.3.8. Procesele termodinamice reprezentate în coordonate p-v, trecând printr-un punct comun[8,7] Între aceste curbe mai pot fi duse încă (un număr foarte mare), o infinitate de curbe, dar care se vor supune unei ecuaţii comune de forma: pv k =ct Asemenea procese poartă numele de procese politrope, iar exponentul politropic n poate primi orice valoare, ceea ce va determina caracterul procesului şi forma cubei de reprezentare în diagrama pv. Comparând ecuaţia politropei cu ecuaţiile celorlalte procese caracteristice studiate mai înainte rezultă că acestea sunt nişte cazuri particulare ale procesului politropic, în care exponentul n primeşte o anumita valoare. Astfel când n = ecuaţia politropei devine v = ct, izocoră n = 0 ecuaţia politropei devine p= ct (izobară) n = l ecuaţia politropei devine pv = ct (izotermă) n = l, 4 = k ecuaţia politropei devine pv k = ct (adiabatică). Reiese deci că toate cele patru procese caracteristice studiate mai sus sunt generalizate prin procesul politropic exprimat prin ecuaţia: pv k = ct Înseamnă că orice proces care se supune acestei ecuaţii se va numi proces politropic sau transformare politropă. La fel ca şi pentru procesul adiabatic şi în procesul politropic este necesar să stabilim legătura între parametrii da bază luaţi doi câte doi, adică p şi v; T şi v; T şi p. Procedeul va fi de asemenea acelaşi cu deosebire că în locul exponentului adiabatei k trebuie să folosim exponentul politropei n. Ecuaţia caracteristică a procesului ne arată legătura între presiune şi volum specific. pv n = ct Legătura între T şi v, analog cu adiabata, va fi dată de relaţia:tv n- = c t iar legătura între T şi p, va fi exprimată prin relaţia: T ct n n p 68

67 Schimbul de căldură în procesul potitropic poate fi diferit şi depinde în primul rând de valoarea exponentului politropic şi de variaţia volumului. La o compresie politropică dacă n > k, are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar dacă n < k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0). La o detentă politropică, dacă n< k. are loc o comunicare de căldură (q > 0), iar dacă n > k, are loc o îndepărtare de căldură (q < 0). Generalizând această analiză privitor la procesul politropic şi cazurile particulare sau transformările simple studiate anterior, rezultă că transformarea adiabatică ce trece printr-o stare reprezentată în diagrama pv printr-un punct A împarte întreg spaţiul în jurul punctului în două zone (fig.3.9). Fig.3.9. Delimitarea sensului tuturor proceselor termice cu ajutorul adiabatei[8,7] Tot ce este la dreapta şi mai sus de adiabată reprezintă procese care se desfăşoară cu o comunicare de căldură (notat cu semnul +) iar tot ce este la stânga şi mai jos de curba adiabatei, reprezintă procese care decurg cu îndepărtare de căldură (notat cu seninul -).[,8,7] Plecând de la expresia primului principiu al termodinamicii şi cunoscând felul în care se face schimbul de căldură cu exteriorul, putem afla cantitatea de căldură ce intră în proces. Dacă avem un proces politropic între două stări l si care se supune ecuaţiei pv n = ct, atunci: u u Al q Pentru orice proces, variaţia energiei interne se calculează la fel şi anume: u u cv T T iar lucrul mecanic pentru procesul politropic este: AR Al T T n 69

68 deci: AR q cv T T T T 3.5 n Dacă schimbăm semnul în termenul al doilea din partea dreaptă si apoi împărţim întreaga expresie la variaţia de temperatură (T-T) vom obţine: T q Cunoscând că c T T v T T T T T q T T simplificările posibile, obţinem: AR n T T reprezintă tocmai căldura specifică c şi efectuând AR c cv n Fiind vorba de un proces potitropic, înseamnă că în partea dreaptă avem căldură specifică a politropei, deci putem preciza: c pol c v AR n 3.53 Admiţând ca cv, este const. înseamnă că într-un proces oarecare, pentru o anumită valoare dată a exponentului n toată partea dreaptă a ecuaţiei va fi de asemenea o constantă. În baza acestora, tragem concluzia că atunci când vorbim de căldură specifică a unui gaz, este necesar să precizăm şi transformarea pe care o suferă, adică să precizăm condiţiile în care are loc schimbul de căldura. 3.4 Al doilea principiu al termodinamicii Primul principiu al termodinamicii stabileşte echivalenţa energiei termice şi mecanice, precizând raportul cantitativ dintre cele două forme de energie în cazul transformărilor. Totuşi, primul principiu nu precizează dacă o transformare este posibilă sau nu şi nu dă nici o indicaţie asupra sensului transformărilor din natură. După cum s-a arătat, în natură, multe dintre fenomene sunt ireversibile şi cauza ireversibilităţii o constituie condiţiile în care se produc, viteze finite, frecare etc. Astfel, deşi în baza primului principiu un lucru mecanic de 47 kgfm este echivalent cu l kcal, totuşi practic nu este posibil ca în aceeaşi măsură să transformăm 47 kgfm în kcal şi invers, kcal în 47 kgfm. De aceea, transformările se împart în două categorii: pozitive şi negative. [,8,7] 70

69 Transformări pozitive sunt acelea care decurg direct fără apariţia simultană a altor procese. Ce exemple se pot da trecerea căldurii de la un cop mai cald la mul mai rece, transformarea lucrului mecanic în căldură. Transformări negative sunt acelea care pentru a fi realizate, necesită şi efectuarea unor transformări pozitive de compensare. Aşa este cazul transformării căldurii în lucrul mecanic. Înseamnă că transformarea lucrului mecanic în căldură este admisă ca o transformare totală, pe când transformarea căldurii în lucru mecanic este numai parţială o parte din căldură fiind cedată mediului exterior. În natură, deci, fenomenele nu se produc în orice sens şi în condiţii. Dacă o transformare are loc de la A la B, atunci transformare inversă de la B la A nu mai poate avea loc decât în anumite condiţii. Spre exemplu, dacă punem în contact două corpuri cu temperaturi diferite, o cantitate de căldură va trece de la corpul mai cald la corpul mai rece. Conform primului principiu al termodinamicii, cantitatea de căldură pierdută de corpul cald este egală cu cea câştigată de corpul rece. Dar, acelaşi principiu nu se opune ca o cantitate oarecare de căldura să treacă de la corpul mai rece către corpul mai cald, ceea ce în natură nu s-a observat niciodată. Deasemenea, este cunoscut faptul ci prin frecare se produce căldura. Doua bucăţi de lemn care sunt mişcate unul asupra celuilalt cu o fiecare oarecare produc căldură. Nu s-a observat niciodată însă ca două bucăţi de lemn aflate în contact şi încălzite să înceapă să se mişte, cu toate că primul principiu al termodinamicii nu se opune acestui fapt. Din aceste exemple se poate trage concluzia că: În natură se petrec numai fenomene ireversibile iar fenomenele reversibile sunt cazuri limita de care fenomenele naturale se apropie mai mult sau mai puţin. Această concluzie constituie cel de al doilea principiu al termodinamicii. Conform primului principiu al termodinamicii nu este posibil să se construiască o maşină care să producă energie din nimic, adică o maşină care sa producă o energie oarecare, să zicem mecanică (motor), sau electrică (generator electric), fără a consuma o altă energie. O asemenea maşină a primit denumirea de motor veşnic sau perpetuu mobile de ordinul întâi. Conform principiului al doilea al termodinamicii, pentru a putea produce lucru mecanic din căldura este nevoie ca o parte din căldura luată de la izvorul sau sursa superioară de căldură să fie cedată mediului exterior, adică izvorul rece sau sursei inferioare. În acest fel, principiu al doilea confirmă că nu este posibil să se construiască o maşină care să funcţioneze numai cu un singur izvor de căldură. O asemenea maşină care ar putea funcţiona cu o singură sursă de căldură a primit denumirea de perpetuu mobile de ordinul al doilea. Din exemplele de mai sus, al doilea principiu al termodinamicii poate fi exprimat în mai multe feluri şi anume: 7

70 - căldura nu poate sa treacă de la sine, de la un corp mai rece la unul mai cald. - O transformare în care se produce şi căldură prin frecare nu poate fi făcută reversibilă în nici un fel. - Este imposibil să se realizeze o maşină care să producă lucru mecanic absorbind căldură de la un singur izvor de căldură şi fără ca sistemul să fie supus şi la alte transformări. 3.5 Randamentul termic al ciclurilor În procesele ciclice, agentul motor suferă o serie de transformări succesive până când se întoarce la starea iniţială. În acest timp variază parametrii de bază p, v, T şi ceilalţi parametrii ca energia internă, entalpia etc. În timpul procesului de dilatare, agentului motor i se comunică o cantitate de căldură q, iar în timpul comprimării, i se îndepărtează o cantitate de căldură q. În procesul ciclic reversibil o parte din căldura primita de agentul motor se transformă în lucru mecanic. În aceasta situaţie, conform primului principiu al termodinamicii putem scrie: şi: u u q Al u u q Al Scăzând a doua expresie din prima, obţinem cantitatea de căldură q transformată în lucru mecanic în decursul ciclului pentru l kgf de agent motor. l Al q q q Al Al A l deci: q q Al (3.54) Cu cât cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic este mai mare, cu atât ciclul va fi mai bun în privinţa folosirii căldurii. Eficienţa folosirii căldurii în procesul transformării ei în lucru mecanic se apreciază prin raportul dintre cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic şi cantitatea totală de căldură comunicată agentului motor. [,8,,7,36] Acest raport se numeşte randament termic. El se notează cu litera grecească (eta) căreia i se adaugă indicativul t, adică t. Deci, pentru l kgf de agent motor, căruia i s-a comunicat q kcal şi de la care s-a îndepărtat q kcal, iar în procesul ciclului s-au transformat în lucru mecanic q- q kcal, randamentul termic va fi: t q q q q q q q q q 7

71 deci: q t q fi: raportul 3.55 Dacă ciclul este realizat de G kgf agent motor, atunci randamentul termic va Q t Q Din relaţia (3.55) se vede că randamentul termic va fi, cu atât mai mare cu cat q q va fi mai mic, adică cu cât va fi mai mică cantitatea de căldură cedată izvorului rece sau inferior. Valoarea maximă a randamentului termic ar fi egală cu, ceea ce s-ar obţine când q=0. Conform principiului al doilea al termodinamicii acest lucru însă nu este posibil, cedarea unei părţi de căldură către sursa inferioară fiind o condiţie obligatorie. 3.6 Ciclul Carnot şi randamentul său termic Studiile teoretice cu privire la transformarea căldurii în lucru mecanic, în procese ciclice, au fost începute de inginerul Sadi Carnot, în sec. XIX. [,8,,7,36] El a plecat de la următoarele trei premise, care au fost confirmate ulterior şi anume: - pentru a obţine lucrul mecanic din căldură trebuie să folosim un ciclu, adică întregul sistem trebuie să revină la starea iniţială (atât agentul motor cât şi organele maşinii). - pentru a obţine lucrul mecanic numai din căldura, este necesar să existe două izvoare de căldură la temperaturi diferite. - pentru a obţine efectul cel mai mare sau randamentul maxim în procesul transformării, este necesar ca ciclul să fie reversibil, adică în orice moment temperatura sistemului să fie în echilibru cu a mediului exterior spre a evita pierderile de căldură directe, care micşorează randamentul. În baza acestor premise, S. Carnot a imaginat un ciclu ideal care să poată fi realizat de o maşină ideală. Ciclul ideal propus de Carnot se compune din două izoterme şi două adiabate, iar maşina ideală astfel construită încât să nu aibă frecări în organe, şocuri în timpul funcţionării, radiaţie şi conductibilitate termică; adică să nu aibă nici o caracteristică ce ar putea conduce la ireversibilitatea ciclului. Maşina ideală a lui S. Carnot (fig.3.) se compune dintr-un cilindru c din material perfect izolant din punct de vedere termic şi un piston, mobil P, de asemenea dintr-un material perfect izolant, care prin intermediul unui mecanism bielă-manivelă pune în mişcare un arbore cotit cu volantă. 73

72 Fundul cilindrului este închis cu un perete subţire dintr-un material perfect conducător de căldură, prin care cilindrul poate fi pus în legătură fie ca izvorul cald T, fie cu izvorul rece T sau poate fi izolat termic de mediul exterior cu ajutorul unui izolator I. Fig.3.. Schema realizării Ciclului Carnot şi reprezentarea lui în coordonate p-v În diagrama pv, ciclul ideal începe din punctul când cilindrul este în legătură cu izvorul cald T, se face o comunicare de căldurii q şi are loc o destindere izotermică la temperatura T, destindere care durează până la starea corespunzătoare punctului. Când pistonul a ajuns fa poziţia corespunzătoare volumului din starea, se întrerupe legătura cu izvorul cald T iar cilindrul se izolează cu ajutorul izolatorului I. Acum în cilindrul complet izolat începe destinderea adiabatică, care durează pană ce pistonul ajunge în poziţia extremă corespunzătoare punctului 3, iar temperatura agentului motor scade până la valoarea temperaturii izvorului rece T. In acest moment, îndepărtând izolatorul I cilindrul se pune în legătură cu izvorul rece T are loc o comprimare izotermică şi pistonul porneşte în cursa de întoarcere. Comprimarea izotermică durează până când agentul motor a cedat izvorului rece cantitatea de căldură q şi pistonul a ajuns în punctul 4. În situaţia corespunzătoare punctului 4 din diagramă se întrerupe legătura cilindrului cu izvorul rece şi se izolează cu izolatorul I. Din acest moment compresia continuă adiabatic până în punctul, iar temperatura agentului motor se ridică până la T corespunzătoare stării iniţiale. Pentru realizarea condiţiilor de reversibilitate, este necesar ca ciclul să se desfăşoare foarte încet, iar forţele exterioare ce acţionează asupra pistonului să varieze permanent ca mărime, corespunzător schimbării presiunii agentului motor din interiorul cilindrului. În acest ciclu, sistemul a absorbit de la izvorul cald o cantitate de căldură q, în timpul detentei izotermice - şi a cedat o altă cantitate do căldură q către izvorul 74

73 rece în timpul compresiei izotermice 3-4, deci schimbul total de căldură în decursul ciclului a fost: q q q Al (3.56) iar randamentul termic al ciclului Carnot va fi: Al q t (3.57) q q q q q Deoarece în acest ciclu comunicarea şi îndepărtarea căldură au fost făcute dopă izoterme, putem scrie: q v v 3,3ART log şi q,3art log (3.58) v v 4 de unde:,3art v log 3 v 4 t (3.59) v,3art log v făcând simplificările obţinem: v T log 3 v 4 t (3.60) v T log v Dar pentru procesele adiabatice -3 şi 4- putem scrie: v v 3 k k T v T şi (3.6) T v 4 T Deoarece părţile din dreapta sunt aceleaşi rezultă că şi părţile din stânga sunt egale, deci: v v v v sau schimbând locul mezilor în proporţie obţinem: 3 v v v v

74 Rezultă că: v3 log v 4 randamentul termic al ciclului Carnot : v log v Rezultă că randamentul termic al ciclului Carnot depinde numai de diferenţa temperaturilor izvoarelor de căldură şi este cu atât mai mare cu cât temperatura izvorului rece T este mai mică şi temperatura izvorului cald T, este mai mare. Randamentul ciclului Carnot ar putea fi egal cu unitatea dacă temperatura izvorului cald ar fi T = iar a celui rece T = 0; adică t = -73C ceea ce practic nu este posibil de realizat. [,8,,7,36] Ciclul Carnot fiind reversibil, poate fi parcurs şi în sens invers, în acest caz sistemul va absorbi o cantitate de căldura q de la izvorul rece T în decursul detentei izotermice 4-3 şi va ceda o cantitate de căldură q izvorului cald T, de-a lungul compresiei izotermice -, consumând lucrul mecanic l = q - q. O maşină care ar funcţiona după ciclul Carnot inversat poate fi folosită ca instalaţie de răcire (frigorifică), deci ciclul Carnot inversat apare ca ciclu ideal pentru maşini frigorifice. 3.6 Ciclurile motoarelor termice cu ardere internă Un motor termic perfect ar trebui să funcţioneze după ciclul Carnot. Un asemenea motor ar avea randamentul termic cel mai mare, indiferent dacă luăm ca agent motor un gaz sau vapori de apă (aburi), la aceleaşi temperaturi iniţiale T, şi finală T. Randamentul termic va trebui să fie acelaşi, deoarece el nu depinde de natura agentului motor ci numai de diferenţa temperaturilor. În realitate, datorită greutăţilor mari care se ivesc la comunicare şi îndepărtarea de căldură după izoterme, un asemenea ciclu poate fi realizat parţial la maşinile cu aburi şi nu e deloc posibil de realizat la motoarele trainice cu ardere internă la care drept agenţi motori sunt utilizate gaze arse. De asemenea, în motoarele reale au loc o scrie de fenomene ca frecarea în organe, schimbul de căldură prin contact şi prin radiere, comunicarea şi îndepărtarea căldurii pe cale ireversibilă, fenomene care fac ireversibil procesul transformării căldurii în lucru mecanic. [,8,,7,36] Din aceste motive ciclul Carnot rămâne ca un ciclu ideal, teoretic. Studiul tui ne dă posibilitatea să vedem către ce limită putem tinde cu valoarea randamentului termic în procesul transformării căldurii în lucru mecanic. Procesul de lucru sau ciclu de funcţionare al unui motor termic cu ardere internă constituie o succesiune de procese fizice şi chimice pe care le putem rezuma astfel: - introducerea în interiorul cilindrului şi umplerea acestuia cu aer curat sau amestec carburant; 76

75 - comprimarea aerului sau amestecului prin deplasarea pistonului în interiorul cilindrului de la PMI la PME; - introducerea combustibilului în cilindru şi amestecarea lui cu aerul, în cazul când iniţial a fost introdus şi comprimat numai aerul carat; - aprinderea şi arderea amestecului carburant; - detenta gazelor arse care produc deplasarea pistonului în sensul invers deplasării la comprimare; - evacuarea produselor de ardere din cilindru. Faţă de ciclul teoretic, procesul de lucru real prezintă două particularităţi principale: a) în timpul arderii amestecului carburant are loc o transformare chimica, agentul motor se schimbă şi ciclul continuă cu un alt agent motor, şi b) la sfârşitul detentei, gazele arse sunt eliminate în exterior şi cilindrul se umple cu o încărcătură proaspătă. Aceste două particularităţi fac ca ciclul real de funcţionare să fie deschis. Făcând abstracţie de cele două particularităţi arătate mai sus, dar ţinând cont de procesele termice şi mecanice cele mai importante, teoretic se studiază ciclurile termodinamice închise. Ciclurile reale se compară sub aspectul perfecţiunii lor cu ciclurile teoretice închise. Ciclul teoretic al unui motor termic cu ardere internă se analizează având la bază următoarele admisiuni: - în interiorul cilindrului se găseşte un kgf agent motor, care pe parcursul ciclului se află în schimb reciproc cu mediul exterior numai sub aspect termic (primire sau cedare de căldură) şi mecanic (consum de lucru mecanic la compresie şi producere de lucru mecanic la detentă); - procesele care compun ciclul se consideră total reversibile; - agentul motor este un gaz perfect şi se supune legilor gazelor perfecte; - în desfăşurarea ciclului procesele decurg foarte încet şi frecarea lipseşte. Motoarele termice cu ardere internă funcţionează după cicluri care se deosebesc între ele prin felul cum se face comunicarea de căldură. Teoretic deosebim trei feluri de cicluri si anume: - ciclul cu ardere la volum constant; - ciclul cu ardere ta presiune constantă; - ciclul mixt sau cu ardere la volum şi presiune constantă. Fiecare din aceste cicluri are caracteristicile lui proprii şi de aceea ele se studiază separat Ciclul cu ardere la volum constant După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin scânteie, cu carburator şi motoarele cu catalizator de joasă compresie. La motoarele cu aprindere prin 77

76 scânteie aerul şi combustibilul sunt pregătite sub formă de amestec în afara cilindrului şi amâne m carburator, în cilindru x introduce şi aperi se comprimă amestecul carburant. La sfârşitul compresiei amestecul carburant se aprinde cu ajutorul unei scântei electrice. [,8,,7,36] La motoarele cu catalizator, se introduce iniţial în cilindru şi apoi se comprimă aerul curat. Spre sfârşitul compresiei se pulverizează combustibil care se amestecă cu aerul. Pentru aprindere serveşte capul incadescent sau catalizatorul. În acest ciclu (fig.3.4) starea iniţială a gazului se consideră în punctul a corespunzător PMI la sfârşitul aspiraţiei. Fig.3.4. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate p-v Fig.3.5. Ciclul teoretic cu ardere la volum constant în coordonate t-s La deplasarea pistonului spre stânga, va avea loc o compresie a gazului după adiabata ac. În punctul c, când pistonul se afla la PME începe comunicarea de căldură q, care se desfăşoară după izochora cz. În punctul z se termină comunicarea de căldură şi începe procesul detentei, ce decurge după adiabata zb. Când detenta se termina, pistonul ajunge la punctul extrem din dreapta PMI. Din punctul b până în a, după o izochoră, se face o cedare de căldură către sursa inferioară. În acest ciclu deci compresia şi detenta se fac după adiabate iar aportul şi cedarea de căldură după izochore. Din reprezentarea acestui ciclu în diagrama Ts (fig.3.5) se poate vedea că suprafaţa aczba reprezintă cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic. 78

77 Ca mărimi caracteristice în ciclu avem: gradul de compresie, reprezintă raportul dintre volumul total al cilindrului Va şi volumul camerei de compresie Vc deci: V V a c Vc Vs V e 3.64 Gradul de compresie are influenţă asupra valorii randamentului termic al ciclului t. Gradul de ridicare a presiunii sau raportul de creştere a presiunii, reprezintă raportul dintre presiunea gazului la sfârşitul comunicării de căldură pz şi presiunea gazului la sfârşitul compresiei pc. = p p z c (3.65) Asupra randamentului termic al acestui ciclu, gradul de ridicare al presiunii nu are influenţă. Să vedem care este valoarea randamentului termic în acest ciclu pentru kgf gaz. După cum ne este cunoscut pentru orice fel de ciclu putem scrie: t q q în care: q este căldura cedată sursei inferioare, q este căldura comunicată gazului de la sursa superioară. În cazul ciclului dat, căldura q este comunicată după izochora cz, iar căldura q este cedată după izochora ba, deci: q=cv(tz-tc) q=cv(tb-ta) Înlocuind aceste valori în expresia randamentului termic, avem: t cv (Tb c (T v z - T a ) T - T ) T c b z Ta T c Să exprimăm toate temperaturile care intră în formulă prin temperatura Tz. a) pentru adiabata ac avem: 79

78 80 k c a a c V V T T însă c a V V şi atunci: 3.66 k a c k a c T T sau T T b) pentru izochora cz avem: c z e z c z T unde T de p p T T dacă înlocuim şi valoarea lui Tc atunci: 3.67 k z T a T c) pentru adiabata zb: k b z z b V V T T însă Vz=Vc iar Vb=Vz şi atunci: k k k a c z b V V T T de aici deducem că: k z b T T însă Tz=Ta k- deci: a k k a b T T T Înlocuind valorile temperaturilor Tc, Tz şi Tb în expresia randamentului termic avem: 3.68 k k a a k a k a a a t T T T T T T

79 Din expresia randamentului termic pentru ciclu cu ardere la volum constant se vede că el depinde de doi factori şi anume: de gradul de compresie şi exponentul adiabatic k. Cu cât aceşti doi factori au valori mai mari, randamentul termic creşte (fig.3.6). Practic însă, valoarea randamentului termic va creşte cu foarte puţin la creşterea lui peste o anumită valoare, care de obicei nu este mai mare de 9 0. Fig.3.6. Curba valorilor randamentului termic în funcţie de gradul de comprimare şi de exponetul adiabatic[,7] Aceasta se explică prin aceea că la motoarele cu aprindere prin scânteie care funcţionează după acest ciclu, în cilindru se comprimă un amestec combustibil-aer. Dacă s-ar urca valoarea gradului de compresie şi amestecul s-ar comprima mai puternic, temperatura la sfârşitul compresiei poate să fie atât de mare încât să provoace auto-prinderea prematură care poate provoca avaria motorului. Ciclul cu ardere la presiune constantă După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie, cu pulverizate pneumatică a combustibilului, denumite motoare Diesel cu compresor. În interiorul cilindrului acestor motoare se introduce şi apoi se comprimă puternic aerul curat. La sfârşitul compresiei temperatura aerului este foarte ridicată. În acest moment în interiorul cilindrului se injectează combustibil la presiune ridicată şi fin pulverizat. Pulverizarea combustibilului se asigură datorită presiunii aerului comprimat trimis la injector da la o instalaţie cu compresor de aer. În interiorul cilindrului, combustibilul fin pulverizat se amestecă cu aerul comprimat şi încălzit se aprinde şi continuă să scadă pe măsura injectării lui. În acest ciclu (fig.3.7) starea iniţială a gazului este determinată de punctul a în care pistonul se găseşte la PMI. De la punctul a începe compresia care se desfăşoară după o adiabată ac şi durează pe toată lungimea cursei pistonului până ce acesta ajunge la 8

80 punctul extrem din stânga (PME). În punctul c se termină compresia şi începe mişcarea pistonului spre dreapta. În acelaşi timp începe şi comunicarea progresivă a căldurii qt după o izobară cz. Fig.3.7. Ciclul teoretic cu ardere la presiune constantă în coordonate p-v[,7] În punctul z se termină comunicarea de căldură, pistonul continuă să se mişte spre dreapta şi gazul începe să se destindă după adiabata zb. [,8,,7,36] Din punctul b, după o izochoră, are loc cedarea căldurii q. Deci în acest ciclu aportul de căldură se face după o izobară, cedarea de căldură după izochoră iar compresia şi detenta după adiabate. Diagrama Ts a acestui ciclu (fig.3.8) arată că suprafaţa aczb reprezintă la o anumită scară, cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic. Fig.3.8. Ciclu teoretic cu ardere constantă în coordonate T-s[,7] Mărimile caracteristice pentru acest ciclu sunt: gradul de compresie va v z raportul de injecţie sau gradul detentei prealabile v v c c care reprezintă raportul dintre volumul la sfârşitul arderii şi volumul la sfârşitul compresiei. Valoarea randamentului termic se determină în felul următor: 8

81 83 t q q Arderea fiind la presiune constată, iar îndepărtarea căldurii la volum constant vom avea: q = cp(tz - Tc) q = cv(tb Ta) atunci: c z a b c z p p a b c z p a b v t T T k T T T T c c T T T T c T T c Să exprimăm temperaturile Tc, Tz şi Tb în funcţie de temperatura Ta. Pentru adiabata ac k k c a a c v v T T deci Tc=Ta k- Pentru izobara cz k a c z c z c z T T T deci v v T T Pentru adiabata zb k c z z b v v T T În acest caz dacă împărţim numărătorul şi numitorul părţii din dreapta CL vc k- obţinem: k c b c z z b v v v v T T însă c z v v iar vb=va deci c a c b v v v v atunci k z b T T de unde rezultă că k a k k k a k z b T T T T Înlocuind valorile obţinute în expresia randamentului obţinem:

82 t k Ta Ta k k T T Ta k kt k k k k k a a a sau: t k k k 3.69 Din expresia randamentului termic se vede că el depinde de, k si. Structura formulei arată că în măsura în care fracţia din dreapta se va micşora, valoarea randamentului termic va creşte. Micşorarea fracţiei se va obţine atunci când valoarea lui va creşte. Factorul: k va fi întotdeauna supraunitar şi va creşte odată cu creşterea valorii lui, k deci va micşora randamentul termic. Să comparam în diagrama Ts ciclu cu ardere la volum constant şi cu ciclu cu ardere la presiune constantă (fîg.3.9) luând pentru amândouă ciclurile aceleaşi presiuni maxime, adică admiţând condiţia că piesele ambelor motoare suportă aceleaşi solicitări mecanice şi termice, deşi rapoartele de compresie sunt diferite. Fig.3.9. Reprezentarea comparativă a ciclurilor cu ardere la volum constant şi la presiune constantă, în coordonate T-s Suprapunând diagramele astfel ca punctul iniţial a să fie comun ambelor cicluri apare evident că pentru ciclul ca ardere la volum constant randamentul termic va fi: t v q q abed czed iar pentru ciclu cu ardere la presiune constantă: 84

83 t p q q abed czed Deoarece suprafaţa czed este mai mare decât c zed rezultă că t p > t v 3.6. Ciclul cu ardere mixtă După acest ciclu funcţionează motoarele cu aprindere prin compresie, Diesel fără compresor. La aceste motoare în interiorul cilindrului se introduce aer curat care apoi se comprimă puternic. Datorită compresiei mari, temperatura aerului creşte mult. La sfârşitul compresiei, cu ajutorul unei pompe de injecţie şi unui injector, în interiorul cilindrului se introduce combustibilul, la presiune înaltă şi fin pulverizat. Combustibilul injectat se amesteca cu aerul comprimat şi încălzit, se aprinde şi arde în mod progresiv, pe măsura injectării lui în cilindru. Comunicarea de căldura se face parţial la volum constant şi parţial la presiune constantă, aşa cum este arătat în diagrama pv (fig.3.0) şi diagrama (fig.3.). Fig.3.0. Ciclul teoretic cu ardere mixtă în coordonate p-v Mărimile care caracterizează acest ciclu sunt: gradul de compresie va vc raportul de ridicarea presiunii p z pc raportul de injecţie sau detentă prealabilă 85

84 v v z c Valoarea randamentului termic al ciclului mixt se determină după formula generală q t q Dar în ciclul mixt aportul de căldură se descompune în două părţi: q q q în care: q este căldura comunicată la volum constant izochoră cz q este căldura comunicată la presiune constantă, izobară z' z După felul cum sunt făcute comunicările de căldură vom avea: q c q c v p T z T z T c T z iar căldura cedată din exterior q cv Tb Ta Înlocuind valorile căldurilor în expresia randamentului termic obţinem: t c v c v Tb Ta T T c T T z c p z z Din această expresie se vede că randamentul termic al ciclului mixt depinde de, k, şi. Odată cu creşterea raportului de compresie e randamentul termic creşte. Ceilalţi factori k, şi au asupra ciclului mixt aceeaşi influenţă ca şi în ciclurile studiate anterior. 3.7 Principiile funcţionării motorului cu ardere internă şi noţiunile de bază La baza funcţionării motorului cu ardere internă este proprietatea tuturor gazelor de a se dilata atunci când sunt încălzite, în cazul când gazul încălzit se află într-un spaţiu închis, atunci cu cât încălzirea lui va fi mai puternică, cu atât presiunea gazului va fi mai mare. Cunoaştem din termodinamică că în cazul când comprimăm un gaz cheltuim pentru acesta o cantitate oarecare de lucru mecanic şi apoi lăsăm gazul să se destindă, atunci el teoretic, va produce aceeaşi cantitate de lucru mecanic câtă a fost cheltuită pentru comprimarea lui.[,,0,7,3] 86

85 Practic, în această situaţie nu vom obţine niciodată aceeaşi cantitate de lucru mecanic, din contră o parte din lucru, se pierde datorită frecărilor. Încălzind gazul cu ajutorul unui izvor de căldură oarecare (o lampă, un cap incadescent, etc.) atunci presiunea lui va creşte mai mult crescând o dată cu aceasta şi tendinţa gazului de a se dilata. Gazul încălzit va apăsa cu putere pe toate direcţiile şi dacă lăsăm pistonul liber, acesta va fi împins cu putere, iar gazul se va destinde. În acest caz, la mişcarea pistonului de sus în jos, gazul va produce un lucru mecanic mai mare decât cel cheltuit la comprimarea lui. Acest fapt este folosit la principiul funcţionării motoarelor cu ardere internă. Ridicarea temperaturii gazului în interiorul cilindrului are loc prin arderea unui combustibil lichid sau gazos (spirt, benzină, motorina, gaz din lemn, gaz metan) care se introduc în interiorul cilindrului fie sub formă de amestec, fie că acolo se amestecă cu aerul. Rezultă că un motor cu ardere internă pentru a putea funcţiona, trebuie să îndeplinească următoarele procese: - Să introducă în interiorul cilindrului aer şi combustibil fie sub formă de amestec pregătit în afară, fie că acest amestec se formează în interior. -Aerul sau amestecul din aer şi combustibil trebuie să fie comprimat. - În urma comprimării, amestecul carburant trebuie să fie aprins şi să ardă. - Gazele arse trebuie lăsate să se destindă, în vederea obţinerii lucrului mecanic. - Să elimine afară gazele arse dilatate, pregătind cilindru pentru a primi o nouă încărcătură de combustibil şi aer. Introducerea aerului şi combustibilului în interiorul cilindrului se face printrun orificiu numit, orificiu de admisie, iar evacuarea gazelor arse este făcută prin orificiu de evacuare (fig.3.3). Orificiul de admisie este acoperit cu o supapă de admisie 4 iar cel de evacuare cu o supapă de evacuare 5. Fiecare orificiu este deschis pe rând, la un moment dat strict determinat, în corelaţie strânsă cu anumite poziţii ale pistonului 3 în interiorul cilindrului. Pistonul se deplasează în interiorul cilindrului de jos în sus şi de sus în jos între anumite limite. Poziţia cea mai îndepărtată a pistonului în cilindru faţă de axa arborelui cotit se numeşte punct mort exterior, notat pe scurt PME, iar poziţia cea mai apropiată de axa arborelui cotit, punct mort inferior notat PMI. Deplasarea pistonului de la un punct mort până la altul, se numeşte cursa pistonului şi se notează cu S. Unei curse a pistonului îi corespunde o jumătate de rotaţie a arborelui cotit, adică l80, deci lungimea cursei pistonului S, este egală cu de două ori lungimea manivelei. 87

86 Fig.3.3. Organele şi elementele de bază ale motorului cu ardere internă Alezaj se numeşte diametrul interior al cilindrului, în care se mişcă pistonul d. Volumul de lucru. Alezajul cilindrului şi cursa pistonului determină volumul de lucru a motorului care se notează cu Vs. Valorile lor se aleg în funcţie de puterea motorului pe care dorim s-o obţinem şi de regimul de funcţionare (turaţia) pe care- va avea motorul. [,,8,0,,7,3] Volumul Vs rezultat prin deplasarea pistonului pe lungimea cursei S se numeşte cilindree. Dacă un motor are mai mulţi cilindri, atunci cilindreea motorului va fi dată de suma volumelor de lucru ale cilindrilor motorului. Cilindreea se exprimă în cm 3, fiind denumită şi capacitatea cilindrică. Volumul camerei de compresie Vc este volumul din interiorul cilindrului cuprins între capul cilindrului (chiulasă) şi piston când acesta se află în PME. 88

87 Volumul total de admisie Va este volumul cilindrului cuprins între capul cilindrului şi piston când acesta se află PMI. Rezultă că volumul total de admisie este suma volumului de lucru Vs şi volumului camerei de compresie Vc: Va = Vs+Vc Gradul de compresie sau raportul de compresie, notat cu litera grecească Epsilon (), arată de câte ori se reduce volumul în interiorul cilindrului, în timpul operaţiei de comprimare a aerului sau amestecului. V V a c Pistonul este articulat de biela 6 iar aceasta, la rândul ei, în partea inferioară articulează cu arborelui cotit (sau arborele motor), 7. Prin arderea amestecului carburant în interiorul cilindrului, se obţine o cantitate oarecare de căldură. Datorită căldurii produse prin ardere, gazele rezultate în urma arderii atingând temperatura de C tind să se dilate. 3.8 Mecanismul bielă-manivelă Mecanismul bielă-manivelă, la motoare termice cu ardere internă, serveşte pentru preluarea presiunii gazelor şi transformarea mişcării rectilinii alternative a pistonului în mişcarea de rotaţie a arborelui cotit. Necesitatea transformării mişcării rectilinii alternative în mişcarea de rotaţie se explică prin aceea că aceasta din urmă este mai uşor şi mai simplu de transmis către maşinile lucrătoare. În legătură cu întreg complexul de fenomene termodinamice care se produc în scopul de a obţine mişcarea, la motoarele termice cu ardere internă mecanismul bielă-manivelă se compune din următoarele părţi: carterul, cilindrul (blocul cilindrilor), capul cilindrului, sau chiulasa, pistonul, segmenţii, bolţul (axul pistonului), biela, arborele cotit şi volanta. Mecanismul bielă-manivelă la motoarele de tractor şi automobil, se construieşte în trei feluri: în primul fel, arborele cotit este aşezat central sau axial, linia arborelui fiind perpendiculară faţă de axa cilindrului (fig.3.4.a) Aceste mecanisme bielă-manivelă se numesc simple sau normale. Al doilea mod, este aşezarea arborelui dezaxial, deplasat faţă de axa cilindrului cu o mărime oarecare e numită dezaxaj (fîg.3.4.b). 89

88 Fig.3.4. Variantele construcţiei mecanismului bielă manivelă a- axial; b- dezaxial;[7] Dezaxajul se face în scopul îndepărtării bielei de arborele cu came, ca să nu se atingă în timpul funcţionării, iar dezaxajul în piston, în scopul micşorării presiunilor laterale pe cilindri. La aceste motoare, la rotirea arborelui cotit cu un unghi, unghiul făcut de bielă cu axa, va fi mai mic decât unghiul la motoarele axiale. Dezaxajul fiind relativ mic, maximum 0% din cursă, sau practic 3+8 mm la arbore şi +6 mm la piston, în calcule putem neglija aceasta fără a face greşeli mari, însă practic la montare trebuie să fim atenţi şi mai ales la motoarele cu dezaxare în piston, spre a nu le monta la întâmplare, deoarece putem provoca dezechilibrare şi uzură prematură. Al treilea mod de construcţie a mecanismului bielă-manivelă este acela cu articulaţie excentrică. Această variantă se întâlneşte la motoarele cu mai multe linii, la care în acelaşi plan se găsesc mai mulţi cilindri, cum sunt motoarele în V. La acestea, de regulă, de bielă se articulează o bieletă, sau se montează două biele pe acelaşi maneton Cinematica mecanismului bielă-manivelă În timpul funcţionării motorului unele organe ale mecanismului bielămanivelă se află în mişcare de rotaţie, aşa cum este arborele cotit şi volanta. Această mişcare se produce mai mult sau mai puţin uniform. Alte organe ale mecanismului bielă-manivelă, ca pistonul împreună cu segmenţii şi bolţul, au mişcare rectilinie alternativă, care nu se face uniform. În punctele moarte viteza acestor piese este egală cu zero, după care începe să crească obţinând valori maxime aproximativ la o poziţie mijlocie din cursă, pentru 90

89 ca apoi iarăşi să scadă ajungând din nou la zero, după care fenomenul să se producă invers şi iarăşi să se repete în totalitatea lui. Rezultă că mişcarea grupului piston se face cu acceleraţie. Biela are o mişcare complexă, capul mic al ei având aceeaşi mişcare rectilinie alternativă cu a grupului piston, iar capul mare al ei, are o mişcare de rotaţie împreună cu arborele cotit al motorului. Din mecanică se cunoaşte că forţa este direct proporţională cu masa şi acceleraţia imprimată ei. F=m a (3.7) în care: F este forţa în N m - masa, în kg a - acceleraţia, în m/s Organele mecanismului bielă-manivelă ale unui motor care se găsesc în mişcare de rotaţie şi mişcare rectilinie, alternativă, au mase determinate şi în timpul mişcărilor iau naştere forţe de inerţie, care depind de relaţiile dintre dimensiunile ce caracterizează mecanismul bielă-manivelă, mai ales între raza manivelei r şi lungimea bielei l Mişcarea pistonului Considerând mecanismul bielă-manivelă al unui motor termic cu ardere internă în situaţia când pistonul se găseşte la punctul mort superior, atunci biela şi cu manivela se află una în prelungirea celeilalte, iar distanţa OA, dintre axa bolţului şi axa arborelui cotit este egală cu suma r +. Fig.3.5. Schema mecanismului bielă-manivelă pentru calculul deplasării pistonului 3.8. Acceleraţia pistonului Acceleraţia pistonului se determină după formula: a =r (cos + cos), m/s (3.74) Cum se vede din expresie şi acceleraţia poate fi prezentată sub forma: a=a +a în care: a =r cos iar a =r cos 9

90 În figura 3.8 curba acceleraţiei de ordinul I reprezintă o cosinusoidă cu perioada 360, curba acceleraţiei de ordinul al II-lea reprezintă o cosinusoidă cu perioada 80, iar acceleraţia este reprezentată prin curba rezultată din însumarea celor două. După cum se vede, acceleraţia maximă este la 0 si la 360, adică la punctul mort superior. [,,8,0,,7,3] Fig.3.8. Graficul acceleraţiei pistonului[8,0] n Ştiind că şi înlocuind în expresia acceleraţiei, vom avea: 30 n a = r (cos +cos)m/s (3.75) 900 adică acceleraţia este direct proporţională cu raza arborelui cotit şi cu pătratul turaţiei motorului. În poziţia când pistonul se află la PME, valoarea acceleraţiei va fi maximă. În acest caz = 0. iar = 0, vom avea: 0n r n r a max m/ s La mişcarea pistonului în jos acceleraţia se micşorează până la zero când viteza pistonului atinge maximum, ceea ce corespunde unei întoarceri de cca. 90 a arborelui, apoi iarăşi creşte dar cu sens invers până la PMI când avem: n r a min m/ s Dinamica mecanismului bielă-manivelă În timpul funcţionării motorului, organele mecanismului bielă-manivelă au mişcare diferită şi că în timpul mişcării lor apar o serie de forţe şi momente. În timpul funcţionarii motorului, iau naştere următoarele forţe: - Forţa presiunii gazelor arse, în interiorul cilindrului. - Forţe de inerţie a maselor în mişcarea rectilinie alternativă şi a maselor în mişcarea de rotaţie, mişcări care au loc cu acceleraţii. 9

91 La motoarele cu turaţie mare, aceste forţe ca mărime pot atinge valori apropiate de forţa presiunii gazelor sau chiar mai mari. - Forţe rezistente ca, reacţia în lagărele fusurilor cotite, forţe de fiecare, forţe datorită greutăţii organelor etc. Toate aceste forţe, cu excepţia forţei datoriţi greutăţii organelor îşi schimbă valorile şi sensul lor în timp. Ele pot fi moi mari sau mat mici, pozitive sau negative. În calcule se caută a se stabili forţele sumă sau rezultanta acestor forţe care acţionează asupra organului respectiv. Astfel, pentru un motor monocilindric este suficient să determinăm forţele şi momentele ce acţionează asupra mecanismului bielă-manivelă, pe când la motoarele cu mai mulţi cilindrii trebuie să ţinem cont şi de forţele şi momentele ce apar suplimentar datorita poziţiei diferite a coturilor arborelui. Studiul tuturor forţelor ce apar în timpul funcţionarii motorului, a rezultantei lor, precum şi studiul echilibrajului motorului, formează dinamica mecanismului bielămanivelă. Deoarece forţele de inerţie iau naştere sub influenţa acceleraţiei asupra masei organelor în mişcare, înainte de a trece la studiul dinamic, trebuie să cunoaştem în afară de caracterul mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă şi masele acestor organe Forţe şi momente ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă După cum am văzut, în timpul funcţionării motorului apare forţa datorită presiunii gazelor şi forţe de inerţia datorită mişcării cu acceleraţie a organelor mecanismului bielă-manivelă. De asemenea apar şi forţele rezistente, de frecare, datorită greutăţii ete., dar valoarea lor fiind mică, ele se pot neglija. Forţa depresiune a gazelor, Fg. Presiunea gazelor rezultată în urma arderii combustibilului în camera de ardere a cilindrului, apasă în mod egal în toate direcţiile, asupra pereţilor cilindrului, asupra chiulasei şi asupra pistonului (fig.3.30). [,8,,33,35] Presiunea gazelor asupra pereţilor cilindrilor se echilibrează reciproc şi nu se transmite în exterior. Presiunea gazelor asupra chiulasei dă naştere unei forţe ce acţionează în lungul axei cilindrului care tinde să desprindă chiulasa de pe cilindru. Ea este preluată de şuruburile prezoane. Ea se echilibrează cu forţa Fg care acţionează asupra pistonului, în lungul axei cilindrului şi este de sens contrar. Valoarea ei se va exprima astfel: d Fg pg N 4 în care: Fg este forţa de presiune a gazelor arse, în N; d- diametrul pistonului, în cm; pg - presiunea specifică a gazelor, la momentul considerat, în bar

92 Fig Schema acţiunii forţei de presiune a gazelor arse Valoarea presiunii gazelor poate fi determinată după diagrama indicată reală obţinută cu ajutorul indicatorului sau construită prin metoda grafică pe baza calcului termic. De asemenea se poate folosi diagrama indicată desfăşurată care arată variaţia presiunii gazelor în cilindru pe durata unui ciclu în funcţie de unghiul de rotire a arborelui cotit (fig.3.3). Fig.3.3. Diagrama indicată reală, desfăţurată în funcţie de unghiul arborelui cotit În calculul forţei de presiune a gazelor, trebuie sa ţinem cont de semnul forţei. Astfel, dacă forţa este dirijată după sensul de mişcare a pistonului, cum este în cazul detentei (către arborele cotit atunci ea este pozitivă şi va da naştere unui lucru mecanic pozitiv şi invers, când este dirijată contra sensului de mişcare a pistonului, cum este în cazul compresiei când se consumă lucru mecanic, ea este negativă. Forţele de inerţie Fi apar ca rezultat al mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă, cu acceleraţie. După felul mişcării maselor care compun mecanismul bielă-manivelă deosebim: forţe de inerţie ale maselor în mişcare rectilinie-alternativa Fia şi forţe de inerţie ale maselor în mişcare de rotaţie Fir. 94

93 În cazul unui motor cu un singur cilindru, forţele de inerţie ale maselor în mişcare rectilinie-alternativă vor fi exprimate prin produsul mal cu acceleraţia pistonului, luată cu semn invers. Masele în mişcare rectilinie-alternativă (vezi formula 3.76) sunt: mal=mp+m Acceleraţia pistonului a conform formulei (3.76) se exprimă: a = r (cos +cos Atunci, forţa de inerţie datorită maselor în mişcare rectiliniealternativă va fi: Fia = -mal r (cos +cos)n (3.79) Forţa de inerţie totală se considera ca o sumă a două forţe de inerţie şi anume: - forţa de inerţie de ordinul I a cărei perioadă de variaţie corespunde unei rotaţii complete a arborelui cotit, adică = 360. Ea se exprimă prin primul termen al formulei (3.73) F ia=malr cos - forţa de inerţie de ordinul II a cărei perioadă de variaţie corespunde la o jumătate de rotaţie a arborelui cotit, = 80 se exprima prin al doilea termen al formulei (3.73). F ia = - mal r cos Ambele forţe F ia şi F ia acţionează în lungul axei cilindrului, iar valoarea şi sensul lor se schimbă în permanenţă. Ca valoare, forţa de inerţie de ordinul al doilea F ia este de 3-5 ori mai mică decât forţa de inerţie de ordinul I F ia. Rezultă că forţa de inerţie datorita maselor în mişcare rectilinie alternativă acţionează pe axa cilindrului şi întotdeauna are sens invers cu acceleraţia pistonului. Când pistonul se găseşte la PME forţa de inerţie Fia este dirijată în sus, de la arborele cotit spre exterior şi se consideră că este negativă. Când pistonul se găseşte la PMI forţa de inerţie este dirijată în jos, către arborele cotit şi se consideră ca este pozitivă. Forţa centrifugă de inerţie Fir, apare datorită mişcării de rotaţie a maselor mr = m + mc, ale mecanismului bielă-manivelă, compuse din masa capului mare al bielei şi masa neechilibrată a unui cot al arborelui motor (fig.3.3). 95

94 Fig.3.3. Schema acţiunii forţei centrifuge Această forţă este dirijată după raza manivelei şi este aplicată în centrul manetonului. La rotaţia uniformă a arborelui cotit, valoarea forţei centrifuge rămâne constantă şi se exprimă prin relaţia: Fir = mrr (3.80) Forţele sumă ce acţionează în mecanismul bielă-manivelă În afară de efectul izolat ce îl provoacă forţa luată în parte, asupra diferitelor organe ale mecanismului bielă-manivelă, acţiunea comună a lor dă naştere la forţe rezultante şi la momente având o anumită influenţă asupra funcţionării motorului, în special în ceea ce priveşte echilibrarea lui (fig.3.33). Forţa de presiune a gazelor Fg se transmite prin piston şi se consideră aplicată în centrul bolţului. Tot în acest punct se consideră aplicată şi forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie alternativă. Deci forţa sumă care acţionează asupra pistonului, va fi: F F F N (3.8) g ia După ce pistonul a plecat de la PMS, arborele cotit făcând un unghi oarecare, iar biela un unghi, această forţă sumă care acţionează în lungul axei cilindrului, având punct de aplicaţie în centrul de greutate a bolţului şi ca sens dirijată în jos, către arborele cotit, se descompune în două componente care sunt dirijate după două direcţii şi anume: - Forţa Fb dirijata în lungul bielei, a cărei valoare este: F Fb= N (3.8) cos şi forţa Fn normală (perpendiculară) pe peretele cilindrului, a cărei valoare este: F n FtgN (3.83) Forţa Fb se transmite prin bielă la articulaţia manetonului, iar forţa Fn va produce apăsarea pistonului asupra peretelui cilindrului şi va provoca uzura lor datorită frecării reciproce. Datorită frecării pistonului de peretele cilindrului, se produce cu timpul ovalizarea acestuia din urmă. Valoarea cea mai mare a forţei Fn va fi în timpul cursei motrice, iar în cursa de compresie valoarea ei este mai mică. Transpunând forţa Fb în centrul de greutate al manetonului şi descompunândo obţinem componentele: Fz dirijată radial, în lungul braţului manivelei către axa geometrică a arborelui cotit şi Ft tangentă la circumferinţa descrisă de maneton în timpul rotaţiei sale şi dirijată după sensul de rotaţie. Valorile lor sunt: cos Fz Fb cos F N 3.84 cos 96

95 ş sin Ft Fb sin F N 3.85 cos Unghiul (+) este unghiul format de direcţia forţei Fb şi raza manivelei, ca unghi exterior triunghiului. Fig Schema forţelor şi momentelor ce iau naştere în mecanismul bielă-manivelor în timpul funcţionării motorului Dacă transpunem forţa Fz pe linia de acţiune a ei aplicând-o în centrul palierului, care este centru de rotaţie al arborelui cotit şi totodată aplicând în acest punct două forţe opuse ca sens F t şi F t, iar paralele şi egale cu forţa tangenţială Ft, atunci forţele Fz şi Fr se vor compune dând, iar forţele şi cu braţul r egal cu raza manivelei, vor da naştere unui moment numit moment motor sau moment rotitor: Mm = Ft r kgm (3.86) Înlocuind valoarea forţei tangenţiale Ft conform formulei vom avea: sin M m F r kgm 3.87 cos Momentul motor produce rotaţia arborelui cotit. El se transmite prin toate mecanismele transmisiei tractorului sau automobilului până la roţile motrice, fiind folosit pentru învingerea tuturor rezistenţelor exterioare. 97

96 Forţele Fz şi F"t vor compune dând rezultanta F b=fb care este o forţă liberă, aplicată în centrul de rotaţie al arborelui cotit. Ea se descompune în două componente: una orizontală F n şi una verticală F. Componenta orizontală F n este egală cu componenta normală pe peretele cilindrului Fn. Distanţa între ele fiind h, cuplul lor formează un moment numit moment rezistent sau basculant. Mrb Fn hkgm (3.88) Deoarece direcţia şi sensul momentului motor Mm o considerăm ca pozitivă, atunci apare evident că momentul basculant Mrb este dirijat în sens invers. Ca mărime, valoarea momentului basculant este egală cu valoarea momentului motor. El se mai numeşte şi moment reactiv sau moment de răsturnare, deoarece are tendinţa să răstoarne motorul într-o parte şi este preluat de rama sau cadrul pe care este montat motorul. Deci: Mm Mrb Fn h (3.89) Componenta verticală F' este egală cu forţa sumă F aplicată în bolţul pistonului. Deoarece F' acţionează pe axa cilindrului fiind aplicată în centrul palierului, ea este liberă, rămâne neechilibrată şi se transmite prin bloc-carterul motorului. De fapt nu se transmite valoarea ei întreagă, deoarece în. camera de ardere forţa de presiune a gazelor arse care apasă asupra chiulasei are aceeaşi linie de acţiune dar în sens contrar. Făcând suma algebrică a lor, rezultă că rămâne să acţioneze liber în mecanismul bielă-manivelă forţele: F-Fg=Fia adică sunt libere forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie alternativă. Din aceste motive, pentru a reduce efectul acestor forţe în scopul de a obţine un regim uniform de funcţionare a motorului, se iau măsuri pentru echilibrarea lui. Forţa tangenţială Ft prezintă importanţă deosebită deoarece ea dă naştere momentului motor sau rotitor Mm=Ft r Deoarece raza manivelei r este o mărime constantă, atunci variaţia valorii forţei tangenţiale va reprezenta la o anumită scară, variaţia momentului rotitor. Momentul rotitor ca valoare variază în permanenţa, iar în punctele moarte valoarea lui este egală cu zero, deoarece forţa tangenţială se aceste puncte, iar braţul de asemenea este egal cu zero. De aceea, se face o valoare medie a momentului motor, iar în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii se face suma algebrică a momentelor motoare de la toţi cilindrii io funcţie de unghiul de rotaţie al arborelui cotit, şi apoi se determină şi valoarea momentului motor mediu Mmm. Pentru verificarea valorii momentului motor mediu Mmm se determină puterea motorului după diagrama indicată. Relaţia dintre puterea indicată şi momentul motor este următoare: 98

97 P i M mmm 75 M mmn M mmn 76, CP 3.90 Forţele care iau naştere pe fusul maneton, sunt forţele de inerţie Fir datorită masei concentrată în fusul maneton m, de asemenea forţa radială Fz aplicată în centrul manetonului şi dirijată în lungul manivelei către centrul arborelui cotit. Deci forţa sumă care ia naştere pe fusul maneton va fi determinată ca sumă algebrică a celor două forţe: Fm=Fir+Fz N (3.9) iar forţa sumă rezultantă ce acţionează asupra fusul maneton va fi : R Ft Fm N (3.9) Rezultă că în urma mişcării organelor mecanismului bielă-manivelă în timpul funcţionării motorului, iau naştere următoarele forţe şi momente: - Forţele de inerţie datorită maselor în mişcare rectilinie după axa cilindrului Fia - Forţa de inerţie centrifugă datorită maselor în mişcare de rotaţie a capului mare al bielei concentrate în maneton Fir - Momentul rezistent al basculantei Mrb Echilibrarea motorului Din studiul dinamicei motorului, când am luat în considerare un motor monocilindric, s-a văzut că în timpul funcţionării motorului, rămân libere, adică se transmit ramei motorului următoarele forţe şi momente [,8,,33,35]: a) Forţa de inerţie a maselor în mişcare rectilinie-alternativă care este: F m r cos - de ordinul I şi ia a F m r cos - de ordinul II ia a b) Forţa centrifugă a maselor neechilibrat, în mişcare de rotaţie care este dirijată perpendicular pe axa arborelui cotit, după raza manivelei. Fir = mrr c) Momentul rezistent sau basculant, neechilibrat în interiorul motorului şi care se transmite la saşiu sau rama motorului. El este egal şi de sens contrar cu momentul motor şi dirijat contrar sensului de rotaţie al arborelui motor. Mm=-Mrb=-Fnh Toate aceste forţe şi momente schimbându-şi periodic sensul şi atingând valori destul de mari, acţionează asupra organelor motorului şi asupra îmbinărilor dintre ele, se transmit cadrului motorului şi tractorului sau automobilului. Prin acţiunea lor se slăbesc înşurubările şi posibilitatea de defectare a maşinii este mult mai rapidă. 99

98 În afară de aceasta, vibraţiile provocate de aceste forţe periodice micşorează puterea motorului. Pentru înlăturarea acţiunii acestor forţe si momente, motorul se echilibrează, reuşindu-se prin aceasta să se înlăture parţial sau total forţele şi momentele neechilibrate ce apar în mecanismul bielă-manivelă. Motorul echilibrat se numeşte acel motor, la care forţele ce se transmit ramei, la un regim de lucru stabilizat, sunt permanente ca mărime si direcţie. Echilibrajul motorului depinde de numărul şi dispoziţia cilindrilor şi de configuraţia arborelui cotit. Echilibrajul se obţine prin adăugire de contragreutăţi pe prelungirile braţelor arborelui, precum şi prin configuraţia pe prelungirile braţelor arborelui, precum şi prin configuraţia corectă a acestuia, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii Energia cinetică a volantei O volantă care se roteşte este deci în mişcare, deţine o rezerva de energie cinetică. În general, energia cinetică a unui corp in mişcare se exprimă prin formula: M v E în care: M este masa corpului, în kg v - viteza liniara, în m/s. În cazul unui corp care se roteşte în jurul unei axe, cum este volanta, ţinând cont de faptul că viteza liniară se exprimă prin produsul dintre rază si viteza unghiulari, v = R, energia cinetică a volantei se va scrie sub forma: M v MR Ev 3.97 în care: M este masa volantei, în kg; v - viteza liniară la obada volantei, în m/s; R - raza volantei considerată ca distanţa centrului de greutate a secţiunii obezii volantei pană la axa geometrică de rotaţie, în m; w - viteza unghiulară de rotaţie a volantei, în rad/s Mecanismul de distribuţie a gazelor Mecanismul de distribuţie asigură introducerea aerului sau amestecului carburant în interiorul cilindrului şi evacuarea gazelor arse, la timp precis, în cantităţi strict determinate şi intr-o anumită ordine. 00

99 Fig Schema mecanismului de distribuţie inferioară Fig Schema mecanismului de distribuţie superioară Pentru fiecare marcă de motor, sunt stabilite faze de distribuţie optime, datorită cărora procesele din interiorul cilindrului decurg în aşa fel încât motorul dezvoltă puterea maximă. La motoare de tractor şi automobil se întâlnesc trei feluri de mecanisme de distribuţie şi anume: cu supape, cu ferestre sau orificiu şi mixt. 0

100 La motoare în 4 timpi se, foloseşte distribuţia cu supape. Ea poate fi realizată în două variante constructive şi anume: Distribuia inferioara, având supapele aşezate lateral în blocul motorului (fig.3.35). Acest tip este folosit Ia motoarele cu carburator. Constructiv este mai simplu, ceea ce duce la micşorarea greutăţii motorului. Prezintă însă dezavantajul că se obţine o cameră de ardere de formă mai întinsă, din care cauză procesele de ardere durează mai mult, admisia aerului se face cu rezistenţă mare, iar în timpul arderii se creează condiţii de apariţia detonaţiei. Din aceste motive, motoarele cu distribuţie inferioară au gradul de compresie mic ( = 6,3-6,5) deci lucrează mai puţin economic.[,,7,33] Distribuţia inferioară sau suspendată, având supapele aşezate în capul motorului (fig. 3.36). Distribuţia cu supapele în cap se foloseşte la motoarele cu carburator şi exclusiv la motoarele Diesel. Acest tip este cel mai mult folosit astăzi Ia motoarele de tractor, deoarece permite obţinerea unei camere de ardere mai compacte, având calităţi antidetonante ridicate. Ca urmare, motorul poate avea un grad de compresie mai ridicat ( = 7,5-8, ta motoare cu carburator şi = 7- la Diesel) o putere litrică mai mare şi un consum specific mai mic. Mecanismul de distribuţie se compune din două grupe de piese, a căror număr, formă şi rol variază după tip marcă. l. La distribuţia inferioară (fig.3.35) în prima grupă intră; supapele de admisie şi evacuare I, ghidul supapei, arcul supapei 3, talerul 4 şi siguranţele de fixare 5.în grupa a doua intră: împingătorul sau tachetul 6, axul cu came sau axul de distribuţie 7 şi angrenajele 9 de transmiterea mişcări de la arborele cotit la axul cu came. Funcţionarea mecanismului de distribuţie inferioară se face astfel: - supapa I sub presiunea arcului 3 este apăsată strâns în locaşul său. Prin intermediul roţilor dinţate mişcarea de rotaţie de la arborele cotit se transmite axului cu came 7. Cama 8 m timpul rotaţiei atacă tachetul 6 si-l ridică, iar acesta din urmă apasă asupra capătul inferior al tijei supapei, învinge tensiunea arcului 3 şi ridică supapa, care în acest fel deschide orificiul (de admisie sau de evacuare) obturat, stabilind legătura între conductă (admisie sau evacuare) şi interiorul cilindrului.. Distribuţia superioară (fig.3.36) cuprinde următoarele piese în prima grupă: supapele l de admisie şi evacuare, ghidul supapei, arcul supapei 3, talerul 4 şi siguranţa de fixare, culbutorul 5 cu şurubul de reglare 6, axul culbutorului 7, suporţii axului culbutorului S. Toate aceste piese sunt aşezate pe capul cilindrului. în grupa a doua intră: tija 9, tachetul 0, axul cu came, angrenajele de transmiterea mişcării. Ca funcţionare, deosebirea constă în aceea că mişcarea de rotaţie a arborelui cotit este transmisă prin angrenaje la axul cu came, apoi la tacheţi 0, iar de la aceştia la tija 9, care la rândul ei transmite mişcarea către culbutorul 5. Culbutorul fiind o pârghie cu două braţe, atunci când este ridicata de un capăt, oscilează în axul său şi coborând capătul al doilea apasă pe tija supapei şi învingând tensiunea arcului 3, ridică supapa I, de pe locaşul ei. La orice motor, supapa este deschisă total în momentul când 0

101 tachetul se găseşte pe vârful camei. După ce cama trece cu vârful ei de sub tachet, acesta începe să coboare şi supapa începe să se închidă Diagrama fazelor de distribuţie Momentele deschiderii şi închiderii supapelor şi durata operaţiunilor componente a. proceselor termice pe un ciclu de funcţionare, denumite faze, se reprezintă pe diagrama circulară (numită ciclogramă) de distribuţie. Fig Diagramele circulare ale fazelor de distribuţiei a motoarelor de tarctor şi automobil folosite în ţara noastră Diagramele circulare ale fazelor de distribuţie de la motoarele tractoarelor şi automobilelor folosite la noi în ţară sunt arătate în figura Diagramele de distribuţie arată poziţia pistonului în cilindru exprimată prin unghiuri de rotaţie a arborelui cotit, în raport cu punctele moarte superior şi inferior. Ele servesc pentru punerea la punct si reglajul distribuţiei unui motor. 3.0 Sistemul de alimentare 3.0. Generalităţi Sistemul de alimentare la tractoare şi automobile are rolul de a păstra în imediata apropiere a motorului o rezervă de combustibil, de a condiţiona (filtra) 03

102 combustibilul şi al introduce fie sub formă de amestec gata pregătit (la motoare cu carburator), fie separat (la motoare Diesel) în interiorul cilindrilor motorului. [,4,9,] Sistemul de alimentare se compune din: rezervoare, filtre de aer şi combustibil, pompe de combustibil, iar în funcţie de felul ciclului care stă la baza funcţionării motorului respectiv, se află carburatorul sau pompa de injecţie şi injectorul. Toate organele componente sunt legate între ele prin conducte corespunzător cu felul şi locul de formare al amestecului, este diferită şi construcţia sistemului de alimentare, totuşi o serie de organe sunt comune tuturor motoarelor termice cu ardere internă, indiferent de ciclul de funcţionare şi numărul de timpi ai motorului. Organele comune sunt: rezervoarele de combustibil, filtrele de aer si conductele de legătura. Celelalte organe au caracteristici constructive specifice fiecărui tip de motor Carburaţia Procesul formării amestecului carburant, în afara cilindrilor motorului, se numeşte carburaţie. La acest proces iau parte două elemente componente: aerul şi combustibilul. Dispozitivul pentru pregătirea amestecului se numeşte carburator şi are rolul de a pulveriza şi a vaporiza cât mai bine benzina şi de a o amesteca cât mai omogen cu aerul. Trecând un curent de aer deasupra unui vas deschis în care se află benzina, dacă suprafaţa deschisă a vasului este mică, iar viteza aerului este mare, în acest caz curentul de aer va antrena cu el continuu în particule mici de benzină formând un jet de pulbere fină. Această proprietate a lichidului de a se pulveriza într-un curent de aer stă la baza construcţiei carburatorului. Procesul carburaţiei se numeşte pulverizare, iar carburatorul la rândul lui: carburator pulverizator, Componenţa amestecului carburant necesar la diferite regimuri de lucru ale motorului Cerinţa de bază faţă de un carburator este aceea ca el sa fie în stare de a pregăti amestecul carburant cel mai convenabil pentru orice regim posibil de funcţionare a motorului, asigurând în fiecare caz o pulverizare fină a combustibilului şi amestecarea lui cu aerul. [3,5,9] Regimul de pornire al motorului. Este unul dintre regimurile de funcţionare oarecum anormale, la pornire motorul este rece, turaţia motorului este mică, deci viteza aerului şi depresiunea în difuzorul carburatorului vor fi de asemenea mici. Aceasta înseamnă că pentru formarea amestecului carburant sunt condiţii grele. 04

103 Combustibilul va fi absorbit cu greu din jicler, se va pulveriza slab. Deoarece motorul este rece, are loc o condensare a combustibilului pulverizat şi parţial vaporizat. Din aceste cauze, spre a asigura pornirea motorului, este necesar ca în camera de amestec să sosească o asemenea cantitate de combustibil, încât chiar la vaporizarea numai a fracţiunilor celor mai volatile a combustibilului, să se obţină un amestec capabil să se aprindă în cilindru. Aceasta înseamnă că este necesar să se introducă o cantitate mai mare de combustibil faţă de cea normală necesară, deci amestecul trebuie să fie bogat şi chiar foarte bogat, coeficientul excesului de aer fiind a = 0,75-0,80. Funcţionarea motorului în sarcină mică. Acest regim corespunde deschiderii paletei de amestec cu 0-0%, din deschiderea completă. La acest regim, datorită deschiderii mici a paletei de acceleraţie, depresiunea şi viteza aerului în difuzor vor fi mai mici şi nu se va putea face o pulverizare buna a combustibilului. Acest lucru ne arată necesitatea îmbogăţirii amestecului. Pentru obţinerea unui regim de lucru stabilizat, în aceste condiţii trebuie să avem un amestec îmbogăţit, cu coeficientul excesului de aer = 0,90-0,95. Funcţionarea motorului la sarcină normală. Acest regim corespunde sarcinilor mai mari, aproximativ 80-85% din puterea motorului. Paleta de amestec se deschide 65-70% din deschiderea totală. La acest regim, motorul lucrează în cea mai mare parte din timpul exploatării lui, când se consuma cea mai mare parte din combustibil. De aceea, la acest regim motorul trebuie să aibă o funcţionare economică, cu coeficientul de,05-,0. Regimul termic al motorului la turaţii şi sarcini medii este stabilizat şi este posibilă obţinerea unei pulverizări si vaporizări uşoare a combustibilului din amestec. La acest regim e posibil să obţinem o ardere normală şi completă a amestecului din cilindri, chiar dacă amestecul este puţin sărac (a =,0). Funcţionarea motorului la sarcina maximă. În timpul funcţionării motorului, pentru a învinge sarcinile mari, trebuie să obţinem puterea maximă pe care motorul este capabil să o dezvolte. În acest caz paleta de acceleraţie se deschide total, iar amestecul carburant pregătit de carburator trebuie să fie bogat, ceea ce corespunde la coeficientul excesului de aer, a = 0,80-0,85. Regimul de funcţionare a motorului la mersul în gol. La mersul în gol (mers încet) când motorul este fără sarcină, paleta de acceleraţie este deschisă puţin, sub 0% din deschiderea ei totală. Deoarece depresiunea şi viteza aerului în carburator sunt mici, paleta de acceleraţie fiind aproape închisă, cantitatea de amestec care intră în cilindru va fi mică. În cilindru ea se amesteca cu gazele arse, neevacuate, rămase de la ciclul anterior. Motorul fiind mai rece, au loc condensări ale părţilor volatile, ceea ce depreciază calitatea compoziţiei amestecului. 05

104 Dacă această cantitate mică de amestec va fi săracă în combustibil, atunci capacitatea de aprindere şi viteza de ardere a amestecului vor fi mai mici, iar presiunea în urma arderii fiind slabă, vor fi posibile întreruperi în funcţionarea motorului, care duc la funcţionarea neechilibrată sau oprirea lui. Un amestec mai bogat va da presiuni mai înalte la ardere, îşi va mări capacitatea lui la aprindere şi nu vor mai fi întreruperi în funcţionarea motorului. Din aceste motive la regimul de mers în gol motorul trebuie să fie alimentat cu un amestec îmbogăţit corespunzător unui coeficient al excesului de aer: a = 0,85-0, Compoziţia amestecului carburant pregătită de un carburator simplu La un carburator simplu, prevăzut cu o cameră cu plutitor, cameră de amestec şi un singur jicler, cu diametru potrivit putem obţine o formare bună a amestecului carburant, însă numai la o anumită turaţie a arborelui cotit, corespunzătoare regimului normal de lucru. [,4,9,3] Un motor, în timpul funcţionării sale, întâmpină diferite rezistenţe. Dacă motorul este pe tractor sau automobil, atunci rezistenţele variază în funcţie de viteza de deplasare, sarcina la cârligul de tracţiune la tractor, sau încărcarea automobilului, de natura terenului pe care se deplasează etc. Se spune că motorul lucrează la sarcină variabilă. Corespunzător acestor condiţii, se schimba puterea dezvoltată de motor şi turaţia motorului. Deci, puterea şi turaţia motorului sunt determinate pe de o parte de cantitatea de amestec carburant care va intra în cilindrii motorului, iar de altă parte de mărimea rezistenţei care trebuie învinsă de motor la un moment dat. Cantitatea de amestec carburant introdusă în cilindri va fi cu atât mai mare, cu cât se va deschide mai mult paleta de acceleraţie. Dar cu cât se deschide mai mult paleta de acceleraţie, cu atât depresiunea în difuzorul carburatorului va fi mult mai mare şi prin difuzor va trece o cantitate mai mare de aer în unitatea de timp. Însă, odată cu aceasta se va mări şi viteza de scurgere a combustibilului din jicler, care va fi absorbit mai puternic încât componenţa amestecului carburant se va schimba, având tendinţa de a se îmbogăţi. La închiderea paletei de acceleraţie (deci şi la scăderea turaţiei) depresiunea în difuzor se va micşora, scurgerea combustibilului va fi mai slabă iar amestecul carburant va avea tendinţa să devină mai sărac. Asemenea schimbare a componenţei amestecului carburant în primul rând se explică prin aceea că prin mărirea depresiunii în carburator, greutatea specifică a aerului se micşorează, iar greutatea specifică a combustibilului practic rămâne aceeaşi, înseamnă că într-o unitate de timp (secundă, minut, oră) în camera de amestec a carburatorului vor intra asemenea cantităţi de aer şi combustibil, încât amestecul devine bogat. Prin urmare, un carburator elementar al cărui jicler a fost tarat pentru a permite trecerea unei cantităţi de combustibil corespunzătoare formării amestecului 06

105 normal la turaţie nominală a motorului, pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie va pregăti un amestec din ce în ce mai bogat. La turaţia maximă când paleta de acceleraţie va fi deschisă total, amestecul carburant va deveni atât de bogat încât combustibilul nici nu se va putea aprinde din lipsă de aer, iar motorul se va opri din funcţionare. La acelaşi rezultat se va ajunge în sens invers, când turaţia scade şi amestecul devine mai sărac. Rezultă că un Carburator elementar nu poate face faţă condiţiilor diferite de funcţionare a motorului, a cărui regim ca sarcină sau ca viteză (turaţie) variază în limite destul de mari. Pentru ca un carburator să poată pregăti la diferite regimuri de funcţionare a motorului, amestecul carburant de componenţa corespunzătoare, el se echipează cu o serie de dispozitive speciale. Cu ajutorul lor, carburatorul are posibilitatea să menţină componenţa normală a amestecului, precum şi să o schimbe în funcţie de regimul de lucru Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul curentului de aer Carburatoarele se caracterizează prin direcţia şi sensul curentului de aer care trece prin ele în timpul funcţionarii motorului. [,4,9,3] Carburatoarele în care aerul intră (în carburator) lateral sau de jos, însă întotdeauna trece prin difuzor, de jos în sus, încât şi amestecul carburant format se scurge în sus, se numesc carburatoare verticale având curentul de aer ascendent. La acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea superioară. Carburatoarele la care curentul de aer intră lateral sau de sus, şi întotdeauna trece prin difuzor de sus în jos, deci şi amestecul carburant format se scurge de sus în jos, se numesc carburatoare inversate sau având curentul în cădere. La acestea, paleta de acceleraţie este aşezată în partea inferioară, iar carburatorul se montează deasupra cilindrilor motorului. Carburatoarele la care aerul intră lateral si are o mişcare pe direcţie orizontală, deasemenea se mişcă pe orizontală şi amestecul carburant, se numesc carburatoare orizontale, având centrul orizontal. Indiferent de tipul carburatorului, principiile de funcţionare a carburatorului elementar şi a dispozitivelor cu care se echipează, rămân aceleaşi. De cele mai multe ori se întâlnesc carburatoare direct-verticale. Pe automobile încep să fie întrebuinţate în măsură mare carburatoarele inversate, prin poziţia lor, accesul la carburator, verificarea şi îngrijirea lor este mai uşoară. Deasemenea, după unele date experimentale, carburatoarele inversate permit o umplere mai bună a cilindrilor cu amestec carburant obţinându-se de la motor o putere întrucâtva mai mare. 07

106 Fig Tipuri de carburatoare după direcţia şi sensul de mişcare al amestecului carburant a-direct ascendent; b- inversat-descendent; c- orizontal Metodele şi dispozitivele de reglare a compoziţiei amestecului Schimbarea compoziţiei amestecului cu ajutorul dispozitivelor ce se prevăd la carburatorul elementar se numeşte: compensarea amestecului. Compensarea amestecului se face prin următoarele metode: compensarea prin frânarea pneumatică a combustibilului, compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului suplimentar numit jicler compensator şi compensarea amestecului prin schimbarea secţiunii difuzorului. Compensarea prin frânarea pneumatică a combustibilului Fig.3.39 Schema carburatorului cu dispozitiv de compenasare prin frânare pneumatică[,4] La acest carburator, combustibilul din camera plutitorului 3, după ce iese din jiclerul principal 4, pătrunde în tubul de pulverizare 6 şi într-un canal intermediar vertical 5, numit puţ aerian. Canalul intermediar la partea superioară are un orificiu calibrat numit jicler de aer (de frânare), care este în legătură cu atmosfera şi prin care intră aer, în cantitate strict determinată de secţiunea lui. Când motorul nu funcţionează, nivelul 08

107 combustibilului este acelaşi în camera de nivel constant 3, în canalul intermediar J şi în tubul pulverizator 6. În timpul funcţionării motorului, când depresiunea din camera de amestec creşte, combustibilul soseşte într-o cantitate mică din camera de nivel constant 3 datorită secţiunii înguste a jiclerului principal 4. În acelaşi timp, combustibilul se consumă într-o cantitate mai mare din canalul intermediar 5 şi din tubul pulverizator 6, şi nivelul lui în canalul intermediar 5 scade. Aerul care pătrunde în coloana puţului intermediar de frânare 5, prin jiclerul de frânare, se scurge împreuna cu combustibilul prin tubul pulverizator 6, favorizează o mai bună pulverizare a combustibilului şi totodată micşorând depresiunea la orificiul calibrat 4 frânează scurgerea combustibilului. Secţiunea fiecărui jicler: principal 4 şi de frânare, se aleg în aşa fel încât la regimul nominal de funcţionare a motorului (la sarcină nominală) carburatorul dă amestecul de carburant normal. Compensarea amestecului cu ajutorul jiclerului compensator Fig Schema carburatorului cu jicler compensator[,4] Jiclerul compensator are rolul de a modifica cantitatea de combustibil ce intră în carburator, în funcţie de schimbarea poziţiei paletei de amestec. La acest carburator, combustibilul din camera de nivel J intră concomitent, în conducta jiclerului principal 3 direct, iar în puţul 5 şi tubul pulverizator 4 prin jiclerul compensator Z în timpul funcţionării motorului, în carburator se creează o depresiune, datorită căreia din jicler începe să se curgă combustibil care se va amesteca cu aerul în camera de amestec. Dacă carburatorul ar fi avut un singur jicler principal 7, atunci pe măsura deschiderii paletei de amestec 8 şi vitezei aerului, amestecul s-ar îmbogăţi continuu. Cu ajutorul jiclerului compensator e posibilă menţinerea unui amestec constant, independent de viteza aerului din difuzor. Astfel la o deschidere mică a paletei de amestec, combustibilul este absorbit din ţevile ambelor jiclere. Pe măsura 09

108 deschiderii paletei, depresiunea în difuzor creşte şi totodată se măreşte şi consumul de combustibil din ambele jiclere. La ţeava 3 a jiclerului principal 7, combustibilul soseşte tot timpul uşor, fără a întâmpina nici o rezistenţă, pe când în tubul compensator 4, combustibilul vine mai greu, fiind dozat înainte de a intra în puţul compensator 5, prin jiclerul compensator. Ca urmare, corespunzător consumului, tubul jiclerului compensator 4 nu va fi completat suficient cu combustibil, încât nivelul combustibilului din puţ şi din tubul jiclerului compensator începe să scadă. La deschiderea mai mare a paletei de amestec, datorită depresiunii mari în difuzor, tot combustibilul din puţul compensator va intra în camera de amestec, iar în continuare, prin puţul compensator şi prin conductă jiclerului compensator, va sosi aerul care va antrena în mod continuu o cantitate mică de combustibil, formânduse o emulsie. Mărind şi mai mult deschiderea paletei de amestec, depresiunea se va mări continuu şi calitatea de aer debitată prin tubul jiclerului compensator va creşte, pe când cantitatea de combustibil antrenată de acest aer rămâne constantă, înseamnă că pe măsura deschiderii paletei de acceleraţie, amestecul care soseşte din tubul jiclerului compensator devine din ce în ce mai sărac. Rezultă că la creşterea turaţiei motorului, jiclerul principal tinde tot timpul să îmbogăţească amestecul, iar jiclerul compensator acţionează invers, tinde să sărăcească amestecul. Compoziţia amestecului luat în întregime se obţine ca o medie a celor două, rezultând un amestec carburant normal Compensarea amestecului prin schimbarea automată a secţiunii difuzorului Schema carburatorului cu secţiune variabila a difuzorului este arătată în figura3.4, iar funcţionarea este următoarea: Fig.3.4. Scema carburatorului cu difuzor variabil în secţiune 0

109 Din camera de nivel constant, combustibilul trecând prin jiclerul si tubul pulverizator 3 este antrenat de curentul de aer, în centrul difuzorului formându-se amestecul carburant. Difuzorul este compus din patru plăci fasonate 4, articulate pe axele 5, în jurul cărora se pot roti. Poziţia plăcilor este determinată de arcurile 6. La turaţie mică a motorului datorită arcurilor, plăcile sunt apropiate şi secţiunea difuzorului este minimă. La creşterea sarcinii sau a turaţiei, depresiunea în camera de amestec mărindu-se, se măreşte şi viteza aerului care trece prin difuzor. Ca urmare, plăcile se îndepărtează comprimând arcurile şi prin aceasta se măreşte secţiunea difuzorului. Prin mărirea debitului de aer, datorită creşterii secţiunii difuzorului, depresiunea în camera de amestec se micşorează şi prin aceasta se micşorează şi consumul de combustibil iar amestecul devine mai sărac. Calitatea necesară a amestecului se obţine prin alegerea corespunzătoare a plăcilor şi arcurilor. Un asemenea carburator asigură formarea amestecului corespunzător în bune condiţiuni la turaţie nominală a motorului (la sarcină medie) însă la sarcina mare amestecul se obţine prea sărac, din care motiv această metodă de compensare a amestecului se foloseşte în combinaţie cu alte metode cum ar fi metoda includerii în funcţiune a jiclerelor în mod succesiv Dispozitivul pentru funcţionarea carburatorului la mers în gol În timpul opririlor de scurtă durata a tractorului sau autocamionului, motorul se trece pe regim de funcţionare în gol (fără sarcină sau relanti). Deoarece motorul funcţionează fără sarcină, este necesar o cantitate mică de amestec, din care motiv paleta de acceleraţie este aproape total închisă. Prin aceasta, depresiunea în camera de amestec este foarte mică, încât combustibilul nu poate fi absorbit din jiclerul principal, nici din cel compensator. Ca urmare, amestecul carburant, devine foarte sărac cu care motorul nu poate funcţiona. Pentru a fi posibilă funcţionarea motorului la mers în gol, carburatorul trebuie să aibă dispozitiv special de mers în gol. Acest dispozitiv (fig.3.4) este un jicler 9, prevăzut la capătul tubului 0, care se alimentează de la camera de nivel constant prin puţul lateral II, şi care comunică prin orificiul deasupra paletei de acceleraţie 8. La mers în gol fiind necesara o cantitate mică de amestec, orificiul calibrat 9 cu jicler de mers în gol ar trebuie să fie foarte mic, dar atunci va exista pericolul înfundări lui, din care cauză secţiunea jiclerului se face mai mare.

110 Fig3.4. Schema carburatorului cu jicler de mers în gol Spre a evita îmbogăţirea excesivă a amestecului 0, soseşte aer din atmosferă sau din interiorul carburatorului prin orificiul de intrare a aerului 3, care este reglat cu ajutorul unui şurub 4 cu vârf conic. Aerul admis prin orificiul 3 micşorează depresiunea deasupra jiclerului de mers în gol şi temperează scurgerea combustibilului în exces. Prin aceasta e posibil ca secţiunea jiclerului de mers în gol să se facă ceva mai mare. În acelaşi timp, aerai şi combustibilul formează emulsie, care datorita depresiunii mari deasupra paletei de acceleraţie, se scurge prin orificiul şi întâlnindu-se cu aerul ce scapă între pereţii camerei de amestec si paleta de acceleraţie 8, formează un amestec bogat ce trece în cilindri. Calitatea amestecului necesar pentru mers în gol se obţine prin reglarea poziţiei şurubului cu vârf conic 4 care limitează mai mult sau mai puţin secţiunea pentru trecerea aerului în tubul de mers în gol W. La înşurubare, secţiunea se micşorează iar amestecul se îmbogăţeşte şi invers. De remarcat faptul că o deschidere relativ mică a paletei de acceleraţie provoacă o debitare simţitoare a aerului din camera de amestec, ceea ce opreşte sosirea combustibilului prin tubul de mers în gol. Aceasta produce deranjări în funcţionarea motorului la mers în gol sau chiar oprirea lui. Spre a evita oprirea motorului la trecerea de la mers în gol la regim de sarcină, la multe carburatoare se prevăd două orificii de pulverizare (fig.4.5) iar poziţia paletei de acceleraţie la regim de mers în gol se află între ele. În prima situaţie, când paleta este mai mult închisă emulsia de combustibil trece numai prin orificiul superior a, iar prin orificiul inferior b, soseşte în plus aer care emulsionează mai puternic combustibilul. Când paleta de acceleraţie se deschide mai mult, cum se întâmpla la trecerea progresivă către regimul de sarcină, atunci ambele orificii vor fi deasupra paletei, deci în zona depresiunii maxime şi emulsia va fi absorbită prin ambele

111 orificiu deci cantitatea ci creşte iar motorul capătă turaţie în mod progresiv şi poate fi pus în sarcină tară pericol de a se opri. Dispozitive de îmbogăţirea amestecului ta pornire La pornire, motorul este rece, fiind rotit cu o turaţie mică depresiunea formală în difuzor este mică şi viteza aerului care trece prin difuzor este de asemenea mică. Din aceste motive tubul de pulverizare a jicleruluî principat se scurge o cantitate mică de combustibil care se pulverizează slab. Rezultă un amestec sărac care nu poate asigura arderi intense în cilindru. Deasemenea, viteza mică de sosire a amestecului carburant în cilindri şi temperatura scăzută a conductelor de admisie favorizează condensarea fracţiunilor volatile, iar amestecul devine şi mai sărac. Îmbogăţirea amestecului la pornire se face cu ajutorul următoarelor dispozitive: paleta de aer 7, (fig.3.43), prin închiderea căreia se creează o depresiune puternica în difuzor, ceea ce favorizează o scurgere intensă de combustibil din tubul de pulverizare a jiclerului principal. Paleta de aer se montează pe un ax în conducta de intrare a aerului în carburator şi este comandată prin tije de la conductor. Imediat, după ce motorul a pornit, paleta de aer trebuie adusă în poziţia total deschisă. În acelaşi scop, de îmbogăţire a amestecului la pornire, se foloseşte butonul de cufundare a plutitorului în camera de nivel constant. Prin acţionarea butonului se ridică în mod artificial nivelul combustibilului în camera de nivel, ceea ce provoacă o scurgere în surplus a lui prin tubul de pulverizare a jiclerului principal şi amestecul carburant se îmbogăţeşte Dispozitive de îmbogăţirea amestecului la creşterea bruscă a sarcinii Când motorul trece brusc de la turaţii mici la turaţii mari, se creează condiţii de lucru mai grele pentru carburator, care în timp foarte scurt trebuie să asigure un amestec de o compoziţie corespunzătoare noului regim. Capacitatea motorului de a-şi mări brusc turaţia, fără a dăuna funcţionării lui normale, prezintă o importanţă mare deoarece prin aceasta, motorul poate căpăta mai repede o accelerare, se va adapta mai repede schimbării de regim şi va fi mai bun în exploatare. La deschiderea bruscă a paletei de amestec depresiunea în difuzor se măreşte foarte mult. Aerul fiind mai uşor decât combustibilul, se adaptează mai repede noii depresiuni create şi pătrunde imediat în cantităţi necesare, pe când combustibilul, având inerţie mai mare, se adaptează mai greu. De aceea, imediat după deschiderea bruscă a paletei, amestecul devine sărac şi se înrăutăţesc condiţiile de ardere a amestecului, mai ales din cauză că motorul a funcţionat la turaţii mici mai înainte şi regimul termic al lui a scăzut, şi oarecum s-a răcit. Toate acestea provoacă scăderea turaţiei arborelui cotit, funcţionarea neregulată a motorului, au loc rateuri în carburator, care pot duce chiar la oprirea 3

112 lui. Pentru a evita funcţionarea anormală a motorului, când are loc o trecere rapidă la turaţii mari, carburatoarele se prevăd cu o pompă de accelerare (fig.4.6), care se compune dintr-un cilindru /, ce comunică printr-un canal în camera de nivel constant şi un piston, ce se deplasează în cilindru. Fig.3.43 Schema carburatorului cu pompă de accelerare[4] La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, mişcarea se transmite prin pârghii şi tijă (a placa de comandă 3 a pompei). Arcul 4 acţionează asupra pistonului al pompei, care coboară brusc. Combustibilul de sub piston este împins prin supapa de refulare 6 şi prin jiclerul pompei 7 în camera de amestec, sub forma unui jet puternic. Totodată, sub presiunea combustibilului supapa de reţinere 5 se ridică şi lansează locaşul ei încât combustibilul de sub piston nu poate să treacă înapoi în camera plutitorului. Combustibilul suplimentar pulverizat prin jiclerul pompei 7, favorizează îmbogăţirea amestecului, asigurând în felul acesta o bună repriză a motorului Dispozitive care asigura îmbogăţirea amestecului la sarcina maximă Carburatorul trebuie să asigure realizarea unei mari economii de combustibil la sarcini medii, pe seama sărăcirii amestecului şi dezvoltarea unei puteri maxime la sarcină mare, pe seama îmbogăţirii amestecului. Aceasta se obţine fie prin schimbarea secţiunii jiclerului în timpul funcţionarii motorului, metodă greoaie care cere multă atenţie şi dexteritate din partea conducătorului, fie cu ajutorul dispozitivelor speciale care funcţionează automat. Un regim economic este necesar la sarcini medii şi mari, deoarece în această condiţie motorul de automobil şi de tractor lucrează cea mai mare parte din timp. În cazul când trebuie să obţinem o putere maximă spre a învinge creşterea sarcinii, la carburator se deschide complet paleta de amestec, iar îmbogăţirea amestecului o face economizorul. Economizorul poate fi acţionat pe cale mecanică sau pe cale pneumatică. Un economizor acţionat pneumatic este construit şi funcţionează astfel: în timpul 4

113 funcţionării motorului cu paleta de amestec IO, deschisa parţial (fig.3.44), depresiunea puternică existentă dincolo de paleta de amestec se transmite prin canalul 7 în spaţiul deasupra pistonului 4, a pompei de accelerare. Fig Schema carburatorului cu economizator acţionat pneumatic Datorită depresiunii, pistonul 4 se ridică învingând rezistenţa arcului 3, iar supapa economizorului 6 se închide, sub acţiunea arcului 8. Combustibilul din camera plutitorului nu pătrunde la jiclerul de putere 9 şi acesta nu mai funcţionează. Deoarece combustibilul vine la pulverizator (numai de la jicleru) principal, amestecul se sărăceşte. Când paleta de amestec se deschide, depresiunea dincolo de ea şi deasupra pistonului se micşorează şi arcul 3 al tijei pistonului, se destinde şi trage pistonul în jos. Tija pistonului coborând deschide progresiv supapa economizorului 6, prin care combustibilul pătrunde în jiclerul de putere 9 şi îmbogăţeşte amestecul, motorul dezvoltă putere mare necesară pentru învingerea sarcinii maxime. La deschiderea bruscă a paletei de acceleraţie, economizorul înlocuieşte rolul pompei de accelerare. Principiul de construcţie şi funcţionare a unui economizor cu acţionare mecanică este reprezentat în figurat:

114 Fig.3.45 Schema carburatorului cu economizor acţionat mecanic Combustibilul din camera de nivel constant I, alimentează prin jiclerul, tubul principal de pulverizare 5 în aşa mod încât amestecul carburant care se formează este puţin sărac, ceea ce asigură un maximum de economie de combustibil la sarcină medie a motorului. La creşterea sarcinii, pentru 8 se obţine puterea maximă a motorului, paleta de acceleraţie 4 se deschide total şi prin pârghia S fixată pe axul paletei, acţionează asupra tijei 6 a pistonului pompei de accelerare 7. Aceasta coborând în jos deschide supapa de refulare şi combustibilul prin jiclerul economizorului 9 şi prin tubul pulverizator 0 trece în camera de amestec. Prin aceasta, amestecul se îmbogăţeşte mai mult sau mai puţin după cum va fi deschisă şi paleta de acceleraţie care va comanda deplasarea pistonului 7 pe cursă mai mare sau mai mică. Compoziţia amestecului combustibil se determină prin calibrarea jiclerelor şi 9 prin care combustibilul soseşte la camera de amestec în paralel 3.0. Alimentarea m.a.s. prin injecţie de benzină Injecţia de benzina, cunoscută şi sub numele carburaţie mecanică, îşi are începuturile între anii , când firma Deutz foloseşte pentru prima dată instalaţi prin injectarea benzinei la motoarele de serie stabilite. Sistemul este adoptat de constructorii de avioane, care îl aplică în , la motoarele de avion Antoinelte şi Wrighl, iar apoi la motoarele Junkers. În 937 s-a construit prima motocicleta cu injecţie de benzină 5 injectoare electromagnetice, în timp ce uzinele Daimler-Benz şi Auto-Union echipează câteva automobile cu injecţie de benzină. Injecţia de benzină se impune constructorilor motoarelor de automobile abia în anii 950, datorită rezultatelor obţinute de Mercedes-Benz cu MB 300 ŞL. Deceniul anilor 70 aduce noutatea dotării autovehiculelor cu sisteme de injecţie de benzină cu comandă electronică. Marile firme constructoare de automobile Daimler-Benz, BMW, OPEL, PORSCHE, VW/AUDI, GM, CITROEN, PEUGEOT, RENAULT, SAAB, VOLVO, JAGUAR, NISSAN, DATSUN, TOYOTA realizează în serie automobile cu injecţie de benzină. Răspândirea injecţiei de benzină a fost şi este "temporizată" de competiţia cu carburatorul care implică preţuri de cost mai reduse. Lansarea injecţiei de benzină se datorează noilor relaţii "om-naturăautomobil" şi necesităţii realizării (în condiţiile crizei de combustibil) unor autovehicule mai economice. 6

115 3.0. Alimentarea cu combustibil a motorului diesel De la rezervor până la interiorul cilindrului, motorina trece printr-o serie de dispozitive şi aparate care au drept scop să o condiţioneze atât din punct de vedere al purităţii (filtrare) cât şi al stării ei (pulverizare).[,0,3,36] Pompa de alimentare. Deşi la majoritatea tractoarelor cu motor Diesel rezervorul este aşezat mai sus decât pompa de injecţie, motorina nu se transmite prin cădere, ci printr-o pompă de alimentare. Necesitatea pompei de alimentare este determinată de rezistenţa ce o întâmpină motorina la trecerea ei prin filtre, mai ales când suprafaţa de filtrare a lor este îmbibată cu impurităţi. Pompele de alimentare pot fi de trei feluri: cu piston, cu roţi dinţate şi cu palete. Cel mai răspândit este tipul de pompă cu piston. În figura este arătată schema pompei de alimentare cu piston a motoarelor D0. În cilindru corpului pompei 8 se află un piston 0. În faţa pistonului este montat arcul 7. Corpul pompei este închis prin dopul filetat 3. În spatele pistonului este fixat împingătorul cu rolă 3 ce se termină cu o tijă 6, care se sprijină în fundul pistonului. Arcul 4 al tijei apasă permanent împingătorul cu rolă şi îl menţine în contact cu cama, care acţionează pompa. Cilindrul are două ventile: unul de aspiraţie 7 şi al doilea de refulare, fiecare ventil este presat pe locaşul cu câte un arc. Arcul 7 este aşezat între pistonul 0 şi dopul filetat 3, arcul împingătorului 4 între corpul rolei şi peretele despărţitor al corpului pompei arcul ventilului de admisie, între ventil şi locaşul său iar arcul ventilului de refulare, între ventil şi dopul filetat de închidere 9. Funcţionarea pompei are loc în felul următor: sub acţiunea camei, a doua a pompei de injecţie, împingătorul cu rota 3, prin tija 6, deplasarea pistonului 70, înainte. Fig Pompa de alimentare, cu piston. 7

116 Prin aceasta arcul 7 se comprimă şi combustibilul cuprins în spaţiul 4 de deasupra pistonului este comprimat de asemenea. Datorită presiunii ventilul de admisie 7, este apăsat pe locaşul său, iar ventilul de refulare, se ridică de pe locaş permiţând trecerea combustibilului prin canalul 8, în spaţiul, din spatele pistonului. După ce cama a trecut de sub împingătorul cu rolă 3, sub acţiunea arcului 7, pistonul 0 este deplasat înapoi, în spaţiul 4, deasupra lui se creează o depresiune, ventilul de aspiraţie 7 se ridică de pe locaşul său şt combustibilul pătrunde în spaţiul 4. Totodată în spaţiul din spatele pistonului presiunea creşte şi combustibilul este refulat prin canalul 8, către filtru. Spre a asigura funcţionarea motorului fără întreruperi, pompa de alimentare este dimensionată astfel încât la orice regim debitează o cantitate mai mare de combustibil decât cea necesara. Dacă pistonul ar avea cursă constantă tot timpul, atunci la unele regimuri, cum ar fi sarcină mică, pompa ar debita foarte mult combustibil, presiunea pe conducte ar creşte puternic, ceea ce ar duce la spargerea lor. Spre a evita asemenea situaţii cursa pistonului pompei variază în funcţie de consumul de combustibil al motorului. Variaţia cursei pistonului se obţine în felul următor: tija 6 a împingătorului cu rolă 3 nu este prinsă solidar de pistonul IO, ci intră liber într-o degajare a lui. Când consumul de combustibil este mic, în spaţiul din spatele pistonului presiunea creşte şi arcul 7 la deschiderea lui nu poate învinge presiunea creată în spate, datorită cărui fapt cursa pistonului IO se micşorează, micşorându -se totodată şi cantitatea de combustibil debitată spre filtru (fig. a, b a c). La creşterea consumului de combustibil, pompa începe să debiteze combustibil mai mult, presiunea din spaţiul, din spatele pistonului scade, arcul 7 se deschide total şi pistonul 0 face cursa completă. Spre a evita pătrunderea combustibilului din pompă în carterul pompei de injecţie, prin spaţiul (datorită jocului necesar) între tija împingătorului 6 şi peretele corpului, în corpul pompei de alimentare este practicată o degajare 5 fără legătură cu un canal de ieşire, prin care combustibilul prelins este evacuat în exterior. La pompa de alimentare este ataşată şi o pompă de mână cu ajutorul căreia putem pompa combustibilul spre a elimina incluziunile de aer din organele sistemului de alimentare de joasă presiune şi din canalele pompei de injecţie. Pompa de mână este compusă din corpul cilindric 6, pistonul 5 cu tija 4 şi mânerul 3. Legătura dintre cilindrul pompei de mână şi canalul de admisie a pompei de alimentare, este făcută printr-un orificiu obturat cu ajutorul unei bile J. După folosirea pompei de mână este necesar să aducem pistonul în poziţia de jos încât el să preseze bila în locaşul său. Aceasta se asigură prin înşurubarea mânerului 3 de corpul pompei. 8

117 3.0.3 Aparatura de injecţie şi pulverizarea combustibilului la motoarele diesel A doua grupă de organe a sistemului de alimentare la motoarele Diesel, constituie aparatura de injecţie sau de înaltă presiune, în această grupă sunt cuprinse; pompa de injecţie, conductele de înaltă presiune şi injectorul. [8,7,9,36] Pompa de injecţie are rolul de a debita sub o presiune mare la momente precise, cantităţi strict determinate de combustibil în funcţie de sarcina motorului, prin injector în camera de ardere a cilindrului. Injectorul are rolul de a pulveriza combustibilul debitat de pompa de injecţie şi al introduce în camera de ardere. Legăturile între pompa de injecţie şi injector se face prin conducte de înaltă presiune. Pentru ca motoarele Diesel să funcţioneze bine, este necesar ca arderea combustibilului să decurgă normal şi la timp. Desfăşurarea unei asemenea arderi a combustibilului, poate avea loc atunci când debitarea lui se face la momente strict determinate. Dacă aceasta ar avea loc prea devreme, când aerul din interiorul cilindrului nu este suficient comprimat, deci nu are nici temperatura necesară aprinderii, atunci o parte din combustibil se va depune pe pereţii cilindrului iar arderea va fi incompletă. Motorul va funcţiona cu abundenţă de gaze arse şi va dezvolta o putere scăzută. Dacă debitarea combustibilului va fi prea întârziată, atunci arderea va continua în timpul detentei, se va face un schimb prea mare de căldură prin pereţii cilindrului, motorul se va prea încălzi şi de asemenea va dezvolta o putere scăzută. Din experimentări s-a constatat că introducerea combustibilului în interiorul cilindrului trebuie să aibă loc cu 0-30 din rotaţie arborelui cotit, înainte ca pistonul să ajungă la PME. Acest unghi se numeşte unghiul de avans la injecţie a combustibilului, de către injector. În afară de aceasta, în cazul motoarelor cu mai mulţi cilindrii, se impune ca în camera de ardere a fiecărui cilindru să fie debitată aceeaşi cantitate de combustibil, ceea ce se numeşte: uniformitatea debitării. Numai prin îndeplinirea acestor condiţii e posibil să asigurăm formarea unui amestec dintre aer şi combustibilul bun şi la momentul necesar, iar ca urmare motorul va funcţiona cu desfăşurarea arderii în condiţii optime, va avea un consum de combustibil scăzut şi va dezvolta puterea maximă Formarea amestecului carburant la motoarele diesel La motoarele Diesel, modul de formare al amestecului se deosebeşte foarte mult faţă de motoarele cu carburator. La motoarele cu carburator amestecul începe în difuzor, se continuă pe conducte şi în cilindru, pe timpul admisiei şi compresiei. Datorită calităţilor fizico-chimice superioare a combustibilelor uşoare şi perioadei de timp relativ mare de producere a amestecului, acesta, către momentul aprinderii 9

118 prezintă un aspect destul de omogen. Datorită omogenităţii amestecului, oxigenul din amestec este folosit la maximum, fapt care permite obţinerea unei puteri litrice mari şi greutăţi specifice scăzute a motorului. La motoarele Diesel, admiterea combustibilului în cilindru se face spre sfârşitul compresiei, la poziţia pistonului foarte aproape de punctul mort superior, fapt prin care se reduce foarte mult perioada de timp pentru pregătirea amestecului, înseamnă că la motoarele Diesel, condiţiile de obţinere a amestecului (la aceeaşi turaţie) sunt mai puţin favorabile. [8,7,9,36] n Dacă un motor face n rot/min sau grade/s. n 60 rot/s atunci într-o secundă el parcurge Însemnând durata injecţiei prin 0, atunci timpul cât durează injecţia la motoarele Diesel va fi: 60 t s n n 6n 60 La motoarele cu carburator, durata formării amestecului reprezintă din rotaţia arborelui cotit, pe când la motoarele Diesel, durata injecţiei combustibilului este de 5-35 din rotaţia arborelui cotit. În baza formulei durata formării amestecului în secunde, la motoarele cu carburator, tc şi la motoarele Diesel - td va fi: t c s 40 iar t d s 400 Deci, la motoarele Diesel timpul cât durează debitarea combustibilului, adică şi formarea amestecului, este de zece ori mai scurt decât la motoarele cu carburator. Pentru motorul D0, luând momentul de debitare a motorinei de pompa de injecţie este egal cu 0, turaţia motorului fund n = 500 rot/min, durata injecţiei va fi: 0 0 t d 0,00 s Timpul scurt şi condiţiile nefavorabile formării amestecului, creează situaţia ca arderea combustibilului să fie incompletă. Pentru a remedia acest neajuns, motoarele Diesel lucrează cu un coeficient de exces de aer ridicat. Datorită acestui fapt, în interiorul cilindrului se găseşte o mare parte evacuat în atmosferă, ceea ce atrage după sine micşorarea presiunii efective Pt, scăderea puterii litrice şi creşterea greutăţi motorului. 0

119 Spre a obţine o ardere completă, la motoarele Diesel este necesar să se aducă în contact intim combustibil şi aerul şi totodată să se obţină o viteză destul de mare a particulelor de combustibil, spre a asigura amestecarea lor cu aerul comprimat. Pentru realizarea acestor condiţii este necesar ca jeturile de combustibil ce pleacă din injector, să străbată stratul de aer comprimat şi să ajungă către particulele cele mai îndepărtate de aer din camera de ardere. Totodată, combustibilul trebuie să fie fin pulverizat în vederea unei repartizări uniforme a lui în masa de aer. La motoare cu autoaprindere amestecul poate fi format prin următoarele metode: - cu ajutorul aerului de pulverizare, comprimat în prealabil într-un compresor; - pe cale mecanică, injectând combustibilul în cilindru cu ajutorul unui injector, la o anumită presiune de injecţie Pompe de injecţie Cu ajutorul pompei de injecţie se obţine debitarea şi distribuirea combustibilului către injectoare sub presiune înaltă, la anumit timp şi în dosaj-cantitativ strict. Pompele de injecţie folosite pe motoare Diesel au construcţii diferite însă principiul de funcţionare este acelaşi şi anume: elementul de pompare se compune dintr-un cilindru şi un piston. [8,7,9,36] Tipurile cele mai răspândite de pompe de injecţie sunt caracterizate prin aceea că au acţionarea mecanică, pompa fiind legată cu injectorul prin conducta de înaltă presiune. Printre acestea sunt cunoscute pompele care au câte un element de pompare pentru fiecare cilindru, în ultimul timp primesc o răspândire mare tipurile denumite pompă-injector la care lipseşte conducta de înaltă presiune. Deasemenea, sunt utilizate şi pompe de injecţie cu un singur element de pompare şi cu distribuitor rotativ. Funcţionarea motorului Diesel se bazează pe autoaprinderea combustibilului injectat şi pulverizat în cilindrii motorului în momentul în care aerul aspirat anterior atinge, prin comprimarea de către pistonul cilindrului, o temperatură suficientă pentru a se produce autoaprinderea. Echipamentul de injecţie are rolul de a alimenta camera de ardere a motorului cu combustibil, astfel încât arderea să corespundă în orice moment regimului de funcţionare al motorului, determinat la rândul său de sarcina exterioară a acestuia. Pentru ca funcţionarea motorului să fie corectă şi economică în acelaşi timp, echipamentul de injecţie trebuie să îndeplinească o serie de cerinţe, dintre care cele mai importante sunt următoarele: -să ridice presiunea combustibilului la o valoare determinată şi să îl pulverizeze în camera de ardere, astfel încât amestecul de combustibil şi aer să fie cât mai bun, iar arderea să fie cât mai completă; -să înceapă injectarea combustibilului la un anumit moment şi să o termine întrun timp bine stabilit; - injectarea combustibilului să fie făcută corespunzător cu procedeul de ardere al motorului în ceea ce priveşte poziţia şi forma jetului;

120 - să injecteze o cantitate de combustibil corespunzătoare în orice moment cu sarcina motorului. Echipamentul de injecţie al combustibilului este compus, în ordinea în care o parcurge combustibilul, din următoarele: -rezervorul de combustibil, pompa de alimentare, conductele de joasă presiune, bateria de filtrare (un filtru de curăţare prealabilă şi un filtru final), pompa de injecţie cu regulator, conductele de înaltă presiune, injectoare şi pulverizatoare Pompa de injecţie cu elemenţi în linie Pompa de injecţie de mărimea A este o pompă cu pistonaşe în linie, cu arbore cu came propriu şi prindere pe flanşă frontală având cursa pistonaşului constantă şi cursa activă variabilă prin modificarea sfârşitului injecţiei. Pompa de injecţie este antrenată de către arborele cu came propriu care primeşte mişcarea de la arborele cotit al motorului prin intermediul unui angrenaj demultiplicator de turaţie cu raportul de transmisie /, astfel încât turaţia pompei este de / din turaţia motorului. Fiecare camă corespunde câte un element de pompare, ele fiind astfel decalate încât să asigure ordinea de injecţie necesară. Arborele cu came se sprijină în corpul pompei pe doi rulmenţi cu role conice. La capătul opus antrenării se montează regulatorul de turaţie, antrenat la rândul său de arborele cu came. [8,7,9,36] Pompa are toţi atâţia elemenţi de pompare câţi cilindri are motorul. Funcţionarea lor este identică, fiecare element se compune dintr-un pistonaş care glisează într-o bucşă( cilindru). Jocul dintre bucşe şt pistonaş este foarte mic, astfel încât să se asigure etanşitatea la presiuni ridicate. Pistonaşul este ridicat de cama respectivă de pe arborele cu came prin intermediul unui împingător cu role, iar coborârea lui se face datorită resortului elementului de pompare. Pistonaşul are o construcţie specială, fiind prevăzut cu o rampă înclinată, prin care se comandă sfârşitul cursei de refulare. În partea inferioară a elementului se află un manşon care are posibilitatea de antrenare pistonaşul într-o mişcare de rotaţie faţă de bucşă. Această mişcare este imprimată de o cremalieră care angrenează cu un sector dinţat solidar cu manşonul. Printr-un sistem de pârghii, cremaliera este legată la regulator, mişcarea ei fiind comandată de acesta. În bucşa elementului este prevăzut un orificiu de alimentare care comunică cu spaţiul de alimentare din capul pompei, unde combustibilul care este adus prin intermediul pompei de alimentare. La coborârea pistonaşului se face admisia combustibilului prin acest orificiu. Cursa de ridicare a pistonaşului este cursa de refulare, dar nu întreaga cursă de refulare este activă. Refularea are loc începând din momentul când pistonaşul acoperă orificiul de alimentaţie din bucşă şi durează pană când muchia înclinată a

121 pistonaşului descoperă acest orificiu, punând în legătură camera de refulare de deasupra pistonaşului cu spaţiul de alimentare. Prin rotirea pistonaşului sub acţiunea cremalierei, se modifică momentul când rampa înclinată descoperă orificiul de alimentare, obţinându-se o variaţie a sfârşitului cursei de refulare şi prin aceasta o variaţie a debitului între un debit maxim şi un debit nul. Bucşa elementului este închisă la partea ei superioară de o supapă de refulare menţinută pe un sediu conic de către resortul. Deasupra supapei se află racordul de refulare, care comunică prin intermediul conductei de înaltă presiune ca injectorul. Etanşarea este asigurată de o garnitură, aflată între scaunul supapei şi racordul de refulare. Supapa este deschisă de forţa de presiune a combustibilului refulat, cursa ei fiind limitată. În momentul în care rampa elicoidală descoperă orificiul de alimentare, presiunea din camera de refulare de deasupra pistonului scade brusc, iar supapa de refulare este adusă de resortul supapei pe sediul său. Ca urmare, refularea încetează. Supapa de refulare are o construcţie specială, cu centură de descărcare, aceasta fiind o porţiune cilindrică de mică înălţime, situată sub conul de etanşare al supapei, înaintea aşezării supapei pe con, datorită acestei centuri de descărcare care este etanşă în alezajul corpului supapei, în spaţiul de deasupra supapei se produce o detentă rapidă, ceea ce duce la reducerea bruscă a presiunii în conducta de înaltă presiune şi deci la oprirea bruscă a injecţiei. Pentru a împiedica bucşa elementului să se rotească în timpul funcţionării, ceea ce ar produce dereglarea pompei de injecţie, se utilizează un ştift, presat în corpul pompei, astfel încât să pătrundă într-o crestătură specială din bucşa. Deasupra acestui ştift se găseşte dopul deflector. Fig: Reglajul debitului prin rotirea pistonaşului în jurul axei Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ 3

122 Pompa de injecţie cu distribuitor rotativ, cu regulator mecanic pentru toate regimurile se poate adapta perfect motoarelor diesel cu cilindreea pană la maximum l/cilindru. Pomparea motorinei la presiunea de injecţie este realizată cu ajutorul a două pistonaşe plonjoare opuse, ce alunecă cu un ajustaj de mare precizie, într-un rotor central care are şi roiul de distribuitor. Rotorul este antrenat de axul pompei de injecţie. Pompa este prevăzută cu un regulator mecanic centrifugal cu ajutorul căruia se obţine reglarea turaţiilor motorului la toate regimurile de turaţie şi sarcină şi cu un dispozitiv automat de reglaj al începutului injecţiei în corespondenţa cu turaţia motorului. [8,7,9,36] Deplasarea pistoanelor plonjoare se face prin intermediul unor role sub efectul lichidului sub presiune din interiorul pompei şi a camelor din exterior. Inelul cu came montat în interiorul corpului pompei are numărul perechilor de came egal cu numărul cilindrilor motorului. Presiunea motorinei împinge pistoanele plonjoare spre exterior, iar trecerea acestora peste came le apropie şi realizează astfel refularea motorinei. Fig Principiul de funcţionare: a-admisie, b- refulare Circuitul complet al combustibilului este prezentat în figura Combustibilul este aspirat din rezervor cu ajutorul unei pompe de alimentare, trece printr-o instalaţie de filtrare şi apoi intră printr-o supapă de reglare în pompa de injecţie. În continuare, o pompă de transfer cu palete, montată în capătul rotorului, ridică presiunea combustibilului şi îl trimite printr-o supapă de dozaj acţionată de regulator sau de pârghia de acceleraţie spre capul, hidraulic. Supapa de dozaj este aceea care determină cantitatea de combustibil trimisă spre pistonaşe. Lichidul ajuns la pistonaşe le îndepărtează unul de altul, în acest fel cursa lor este determinata de volumul de combustibil dozat, volum ce variază în funcţie de poziţia supapei de dozaj. Cantitatea maximă de motorină injectată are loc în timpul cursei maxime a pistonaşelor. Profilul camei este astfel proiectat încât la sfârşitul injecţiei să aibă loc o cădere de presiune prin care să se asigure descărcarea conductei de înaltă presiune. 4

123 Fig Sistemul de alimentare cu combustibil cu pompă DPA Injectorul Injectorul are rolul de a introduce combustibilul în camera de ardere laminorului, sub presiune înaltă, în stare nepulverizată şi de a dirija jetul de combustibil astfel încât să se producă amestecarea lui cu toată masa de aer comprimat. [8,7,9,36] Pentru a pulveriza combustibilul, el este trecut printr-un orificiu mic (denumit duză) şi cu cât viteza lui de scurgere este mai mare, cu atât pulverizarea este mai puternică. Dacă presiunea creşte progresiv la începutul injecţiei şi scade de asemenea progresiv către sfârşitul injecţiei, atunci pulverizarea va fi mai slabă la începutul şi sfârşitul injecţiei, iar particulele de combustibil vor fi mai mari. Particulele mari se amestecă mai slab cu aerul, arderea lor se face mai greu şi funcţionarea motorului este defectuoasă. Pentru ca pulverizarea să se facă bine atât la început cât şi la sfârşitul injecţiei este necesar ca injecţia să fie făcută la o presiune ridicată şi să se producă brusc. Un injector se compune din corpul injectorului şi pulverizatorul. După felul cum este realizat pulverizatorul injectoarelor se deosebesc două tipuri: injectoare deschise şi injectoare închise. Deosebirea injectorulului închis faţă de injectorul deschis constă în aceea că el e prevăzut cu un organ special, ac de închidere, care prin poziţia lui întrerupe legătura dintre conducta de înaltă presiune şi camera de ardere a cilindrului. Această legătură poate fi stabilită numai prin ridicarea acului. După felul cum este realizată deplasarea acului, din locaşul său. injectoarele închise pot fi categorisite în două tipuri: 5

124 - automate, cu acţionare hidraulică, obţinută prin presiunea combustibilului, sub acţiunea elementului de pompare a pompei de injecţie; - cu acţionare mecanică, de la un organ mobil al motorului. Asemenea injectoare se numesc comandate. Primul tip, adică injectorul închis cu acţionare hidraulică a acului este cel mai răspândit. După felul formarii amestecului, injectoarele se construiesc cu unul sau mai multe orificii de pulverizator. Fig Diferite forme ale vârfului la acul injectoarelor a- cu ştift; b- plat; c- conic La motoarele cu injecţie directă şi la cele cu dispoziţie centrală a injectorului pe camera de ardere, la pulverizator se practică 3-6 orificii dispuse radial, iar la motoarele cu antecameră sau cu cameră de turbionare, de regulă pulverizatorul are un singur orificiu. Injectoarele cu un singur orificiu pot avea acul obturator cu ştift sau fără ştift. Injectoarele cu ştift se numesc acele la care vârful acului are o prelungire de formă tronconică numită ştift, Ştiftul pătrunde în orificiul de pulverizare şi prin conul de etanşate închide orificiul (fig.3.50.poz. a). Datorită ştiftului, la aceste injectoare e posibil să se obţină un con de injecţie până la 30 şi să se influenţeze asupra caracterului procesului injecţiei atât în privinţa deschiderii conului de pulverizare cât şi a regimului de creştere a presiunii în timpul injecţiei. Injectoarele fără ştift au vârful plat sau conic ascuţit (fig poz. b şi c). Injectoarele cu mai multe orificii în pulverizator se construiesc cu acul fără ştift, în majoritatea cazurilor cu vârful conic ascuţit Regulatoare de turaţie Regulatoarele de toate regimurile sau universale asigură o funcţionare stabilă a motorului la orice regim, după dorinţa conducătorului, în limitele turaţiei de lucru ale molarelor. Turaţia la care motorul dezvoltă puterea garantată de uzina constructoare, constituie regimul dinamic de bază şi se numeşte turaţia normală sau nominală a motorului. 6

125 Astfel, turaţia normală a arborelui cotit la motorul D0 a tractoarelor U-650 şi U-65 este de 800 rot/min. La mers în gol pe regulator, turaţia arborelui cotit creşte cu 5-8% faţă de turaţia normală. Această turaţie constituie regimul de mers în gol fără sarcină şi se numeşte turaţia maximă la mers în gol. Dacă acul regulatorului se tensionează slab de tot (la limita posibilă), atunci turaţia de regim stabilită se numeşte turaţia minimă la mers în gol. Cu ajutorul regulatorului de toate regimurile, tractoristul sau conducătorul maşinii are posibilitatea să stabilească între limitele arătate mai sus, orice regim dinamic. Datorită acestui fapt rezultă următoarele avantaje: - conducerea maşinii se face în condiţii mai bune; - creşte productivitatea agregatelor prin reducerea opririlor în vederea schimbării vitezelor de deplasare mai ales în timpul manevrărilor; - tractorul poate avea viteza corespunzătoare la trecerea peste porţiuni de teren neregulat sau peste obstacole; - se reduce consumul de combustibil când tractorul lucrează sub sarcina normală. Primele trei avantaje se obţin datorită faptului că viteza de deplasare a tractorului poate fi schimbată cu ajutorul regulatorului fără a oprii tractorul pentru schimbarea vitezelor. La funcţionarea tractorului sub sarcină normală, de obicei la transportul maşinilor de la o parcelă la alta, este necesar ca tractorul să se deplaseze cu viteze mai reduse spre a nu deteriora maşina. Această viteză redusă poate fi obţinută în treapta I, motorul lucrând la turaţie normală, pe regim dinamic de bază. Însă aceeaşi viteză o putem obţine în treapta mai înaltă, de exemplu II sau III, dar la turaţie redusă a motorului. La aceeaşi sarcină a motorului însă la turaţie diferită consumul de combustibil de asemenea este diferit. El este mai mic la turaţie mai mică, deplasându-se deci în treapta de viteză mai mare, dar la turaţie redusă a motorului, consumul de combustibil va fi mai mic. Vitezele cele mai convenabile de deplasare, folosind posibilităţile regulatorului de turaţie universal se poate alege în timpul diferitelor lucrări agricole şi mai ales a celor uşoare ca: grăpat, tăvălugit, când nu putem folosi puterea totală a motorului prin formarea agregatelor cu lăţime mare de lucru. În afară de creşterea productivităţii, nu se forţează prea puternic motorul, încât durata lui de funcţionare poate fi prelungită şi pe această cale. Astăzi, pe tractoarele folosite în agricultură, indiferent de tipul şi mărimea lor, se folosesc regulatoare de turaţie universale. 3. Sistemul de aprindere Sistemul de aprindere al motorului are rolul de a asigura aprinderea amestecului carburant în interiorul cilindrilor, la momentul necesar. La motoarele cu ardere internă aprinderea amestecului carburant se realizează în mai multe feluri, fapt care caracterizează şi tipul motorului. 7

126 Aprinderea prin scânteie electrică se realizează la motorele cu carburator. Amestecul carburant pregătit în carburator şi introdus în interiorul cilindrilor este comprimat slab şi spre sfârşitul compresiei este aprins cu ajutorul unei scântei electrice produse între electrozii unei bujii. Pentru obţinerea scânteilor electrice în cilindrii motorului este necesar să avem o sursă de curent electric şi o instalaţie de transformare şi distribuire a curentului. Aprinderea prin compresie sau autoaprinderea se realizează la motoarele Diesel, la care combustibilul injectat în masa de aer puternic încălzit, se autoaprinde şi arde. Aprinderea prin catalizator sau cap incadescent (cap de aprindere), se realizează la motoarele cu catalizator. La pornire, capul de aprindere se încălzeşte până la roşu deschis din exterior cu ajutorul unei lămpi de benzină de compresie, combustibilul este pulverizat în interiorul cilindrului pe pereţii catalizatorului încălzit, se vaporizează brusc, se aprinde şi arde. 3.. Aprinderea prin scânteie electrică În timpul funcţionării motorului cu carburator, la sfârşitul compresiei în cilindri, presiunea amestecului este destul de ridicată (cca. -4 kgf/cm ). Deoarece gazele în general se consideră ca izolante, pentru a se obţine între electrozii bujiei o scânteie electrică puternică, încât să asigure aprinderea amestecului carburant, este necesar ca sistemul de aprindere să răspundă următoarelor cerinţe: - obţinerea unui curent de înaltă tensiune în vederea formării unei scântei puternice în masa amestecului carburant comprimat; - formarea scânteii în cilindru în care trebuie să fie aprins amestecul carburant potrivit succesiunii de lucru; - posibilitatea schimbării momentului producerii scânteii în cilindru respectiv, în funcţie de regimul de lucru al motorului, felul combustibilului şi amestecului. Mărimea tensiunii curentului depinde în primul rând de gradul de compresie al motorului şi de distanţa între electrozii bujiei. Cu cât gradul da compresie este mai mare şi cu atât distanţa între electrozi este mai mare, cu atât trebuie să fie mai înaltă tensiunea curentului adus de electrozi. Deasemenea, valoarea tensiunii de străpungere a scânteii este influenţată de felul şi calitatea amestecului carburant, de temperatura electrozilor bujiei. Cu cât amestecul se aprinde şi arde mai uşor, cu atât tensiunea curentului poate fi mai mică. Deoarece la regim normal de lucru, motoarele funcţionează pe amestec economic (puţin însărăcit), aprinderea acestuia devine mai grea, din care cauză e necesară menţinerea unei tensiuni ridicate. Temperatura ridicată a motorului şi a electrozilor bujiei prezintă condiţii favorabile de aprindere a amestecului cu ajutorul unei scântei de tensiune mai joasă. Cum însă regimul termic al motorului variază, în special motorul are temperatura 8

127 scăzută la pornire şi la mers în gol în timpul opririlor maşinii, pentru asigurarea funcţionării continue, fără întreruperi a motorului, tensiunea curentului trebuie menţinută la valoare ridicată. Normal se consideră necesară tensiunea de V. Spre a asigura funcţionarea bună şi continuă a sistemului de aprindere, pe motor se folosesc instalaţii care elaborează curent electric de joasă tensiune, care se transformă în curent de înaltă tensiune apoi se distribuie la bujii, conform succesiunii de lucru a cilindrilor şi la timpii strict necesar. 3.. Momentul aprinderii şi avansul la aprindere O importanţă deosebită pentru funcţionarea bună a motorului de automobil sau tractor prezintă momentul cel mai corespunzător al aprinderii amestecului carburant. [8,7,9,36] Teoretic, la studiul ciclului de funcţionare al motorului cu carburator, s-a presupus că aprinderea amestecului carburant are loc în momentul când pistonul în faza de compresie a ajuns la PME. Practic, în funcţie de regimul de lucru al motorului, aprinderea amestecului carburant poate fi făcută mai târziu sau mai devreme, însă fiecărui regim de lucru îi corespunde un anumit moment, numit moment optim de aprindere. Dacă aprinderea se va face întârziat, la sfârşitul cursei de compresie când pistonul a ajuns la PME, atunci arderea amestecului se va termina după ce pistonul va pleca de la PME şi va parcurge o parte din cursa lui. Înseamnă că arderea se va desfăşura într-un volum mai mare decât volumul camerei de compresie Vc presiunea gazelor arse asupra pistonului va fi slabă, iar temperatura lor va fi ridicată. Deoarece are loc într-un volum mare, se va face un schimb mai intens de căldură prin pereţii cilindrului. Ca rezultat puterea dezvoltată de motor va fi mai mică. Aceasta se evidenţiază prin aceea ca suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică decât în cazul unei aprinderi şi arderi normale, în care sunt prezentate suprapus cele două diagrame indicate, cu aprindere întârziată (curba plină) şi cu aprindere normală (curba punctată fig. 3.5). 9

128 Fig.3.5. Deformarea diagramei indicată prin momentul aprinderii necorspunzătoare a- aprindere întârziată; b- aprindere cu avans prea mare[9,36] În afară de scăderea puterii motorului şi a supraîncălzirii lui, are loc şi un consum ridicat de combustibil, deci motorul lucrează neeconomic. Pentru a preîntâmpina aceste neajunsuri, aprinderea amestecului combustibil se face mai înainte ca pistonul să ajungă la PME în faza compresie. Avansul la aprindere este necesar pentru a putea permite desfăşurarea procesului de ardere astfel încât el să fie la intensitate maximă când pistonul ajunge la PME. În acest caz efectul presiunii gazelor asupra pistonului va fi maxim, motorul va dezvolta puterea corespunzătoare şi va avea consum de combustibil redus. Un asemenea moment de aprindere când arderea amestecului carburant se termină la sosirea pistonului în PME se numeşte moment normal de aprindere. Pentru regimul normal de funcţionare a motorului, acest moment se numeşte moment optim de aprindere. Dacă aprinderea are toc prea devreme, adică la un avans prea mare, de asemenea motorul nu poate funcţiona bine. Puterea motorului scade pe motivul că o parte din ea se consumă pentru învingerea rezistenţei mărite datorită presiunii gazelor arse la sfârşitul compresiei când pistonul încă se deplasează către PME. Şi în acest caz arderea are loc într-un volum mai mare decât volumul camerei de compresie, schimbul de căldură prin pereţii cilindrului este mai intens, se măreşte consumul de combustibil. Şi în acest caz suprafaţa diagramei indicate va fi mai mică şi caracteristic acestei situaţii, va prezenta o buclă formată la vârf. Dacă aprinderea s-a făcut cu avans prea mare, presiunea gazelor arse dă un impuls pistonului în sens invers prea puternic şi poate provoca defectarea motorului, în general avansul mărit se observă prin funcţionarea motorului cu zgomot şi lovituri cu sunet metalic. 30

129 Rezultă, că atât aprinderea întârziată cât şi un avans prea mare duc la scăderea puterii motorului şi a randamentului său. Condiţii mai rele de funcţionare apar când momentul aprinderii este întârziat. Din aceste motive, în majoritatea condiţiilor de lucru, motorul funcţionează cu avans Ia aprindere, însă mărimea avansului nu este fixă, ci variabilă. Avansul la aprindere se exprimă în grade din rotaţia arborelui cotit. Valoarea lui poate să varieze de la 0 până la 30. Valoarea corespunzătoare a avansului la aprindere depinde de următorii factori: de turaţia motorului, de temperatura si presiunea amestecului carburant în momentul aprinderii (adică de gradul de compresie), de mărimea sarcinii, de felul combustibilului folosit şi de calitatea amestecului carburant format de motor. Cu cât turaţia de funcţionare a motorului este mai mare, cu atât durata fiecărei faze a ciclului se scurtează. Pentru a asigura o ardere mai bună e necesar ca aprinderea să se facă mai devreme, adică avansul ta aprindere trebuie să fie mai mare. La creşterea sarcinii, avansul la aprindere trebuie să fie mai mic. Pe măsură ce sarcina creşte, turaţia motorului scade si pentru învingerea ei se admite un amestec carburant mai bogat, de aceea avansul Ia aprindere se reduce. Pe măsură ce amestecul devine mai sărac avansul la aprindere trebuie mărit. La pornirea motorului, când el este rece şi se admite un amestec bogat în interior, avansul la aprindere se reduce total- în caz contrar, turaţia motorului fiind mică, volanta neavând o rezervă de energie cinetică nu va putea învinge rezistenţele apărute înainte de PME şi arborele cotit poate primi un impuls invers. Aceasta, în multe cazuri poate produce condiţii periculoase pentru conducător, mai ales dacă pornirea se face cu manivelă care nu este ţinută corect. Pe motoarele actuale, valoarea avansul la aprindere variază între 8-30, cel mai mult fiind întâlnit între Sisteme de aprindere folosite pe motoare de autovehicule La tractoare şi automobile se folosesc două feluri de sisteme de aprindere prin scânteie electrică: - sistem de aprindere cu baterie şi transformator; - sistem de aprindere cu magnetou. Sistemul de aprindere cu baterie şi transformator, are drept sursă primară de curent o baterie de acumulatori, o bobină de inducţie unde curentul de joasă tensiune se transformă în curent de înaltă tensiune, care se distribuie la bujiile cilindrilor.[,,7,33,36] Bateria de acumulatori este necesară în afara sistemului de aprindere pentru alimentarea cu curent a celorlalţi consumatori. Sistemul de aprindere cu magnetou se caracterizează prin aceea că este mai simplu ca instalaţie. El este folosit în mai mare măsură pe tractor. Curentul de joasa tensiune este produs de magnetou şi tot acolo este transformat în curent de înaltă tensiune, de unde se distribuie la bujii. 3

130 3..3. Schema principală a sistemului de aprindere pe baterie şi transformator Sistemul de aprindere se compune din două circuite: primar - de joasă tensiune şi secundar- de înaltă tensiune. În cilindrul primar intră (fig. 3.5): - sursa de curent electric - bateria de acumulatori, care furnizează curent continuu de joasă tensiune; - bobinajul primar a bobinei de inducţie format din spire puţine şi de secţiune groasă; - ruptorul 3 - care este un dispozitiv cu ajutorul căruia periodic se întrerupe şi apoi se închide circuitul primar; acesta asigură scurgerea unui curent variabil ca mărime prin circuit; - condensatorul 4, cu ajutorul căruia se amplifică foarte mult variaţia fluxului magnetic şi se exclude producerea de scânteie între contactele raptorului; - contactul 5, cu ajutorul căruia conducătorul maşinii poate întrerupe circuitul, deci opri funcţionarea sistemului de aprindere. Fig.3.5 Schema sistemului de aprindere pe baterie şi transformator În circuitul secundar intră: - bobinajul secundar 6 a bobinei de inducţie, în care prin inducţie se produce curentul de înaltă tensiune; el e format din spire multe şi de secţiune subţire; - distribuitorul 7, care stabileşte legătura dintre bobinajul secundar şi contactul corespunzător bujiei în care trebuie să se producă scânteia electrică de înaltă tensiune; - fişele, prin care este condus curentul de înaltă tensiune de la distribuitor la bujii; - bujiile 8, între electrozii cărora se produc scânteile electrice, care aprind amestecul carburant, comprimat în interiorul cilindrilor. 3

131 Toate organele componente atât în circuitul primar cât şi în cel secundar, sunt legate între ele prin conductori izolaţi. La sistemul de aprindere, se foloseşte un singur conductor, iar în locul conductorului al doilea servesc organele metalice ale motorului şi maşinii-masa. Funcţionarea sistemului de aprindere pe baterie şi transformator este următoarea: Bateria de acumulatori, de la o bornă a ei se leagă printr-un conductor la masă, iar de la borna a doua, prin alt conductor, la borna laterală de intrare a bobinajului primar. Când contactul 5 este închis, curentul din bateria de acumulatori trece în bobinajul primar a bobinei de inducţie, apoi prin contactele închise ale ruptorului 3, la masă şi îndărăt la baterie. Curentul care trece prin circuitul primar este de joasă tensiune (tensiunea bateriei). El creează un câmp magnetic ale cărui linii de forţă străbat spirele bobinajului primar şi ale celui secundar. Spre a obţine curent de înaltă tensiune în bobinajul secundar al bobinei de inducţie, câmpul magnetic creat trebuie să fie variabil. Variabilitatea câmpului magnetic produs de curentul din circuitul primar se produce prin întreruperea şi închiderea periodică a circuitului primar. Acest scop serveşte ruptorul 3, care prin rotirea unei came, îndepărtează contactul mobil numit ciocănel, de contactul fix numit nicovala. La întreruperea contactelor curentul din circuitul primar dispare şi o dată cu el dispare şi câmpul magnetic. Datorită variaţiei fluxului magnetic, în bobinajul secundar care este format dintr-un număr mai mare de spire, se induce un curent de înaltă tensiune. Acest curent, adus prin distribuitorul 7 şi prin fişe la bujiile 8, închide circuitul prin străpungerea spaţiului între electrozii fiecărei bujii, descărcându-se sub forma de scântei electrice, care aprind amestecul carburant Construcţia dispozitivelor şi organelor sistemului de aprindere pe baterie Bateria de acumulatori Acumulatorul este un dispozitiv care poate înmagazina sub formă chimică, energia electrică produsă de o sursă de curent electric continuu, pe timp limitat, prin încărcare. El poate restitui energia electrică în măsura necesităţilor de consum, prin descărcare, tot sub formă de curent continuu. [,,7,33,36] Acumulatorii electrici după construcţia lor pot fi cu cadmiu-nichel sau feronichel şi ca electrolit cu o bază, şi acumulatori cu plumb şi ca electrolit cu acid. Pe tractoare şi automobile se folosesc acumulatori electrici cu plumb. 33

132 Mai mulţi acumulatori legaţi în serie formează o baterie de acumulatori. Un acumulator elementar este format dintr-un vas de sticlă sau material din masă plastică rezistent la acţiunea acizilor şi rău conducător de electricitate, în care se toarnă o soluţie de acid sulfuric chimic pur şi apă distilată, numită electrolit. Proporţia de acid sulfuric este de 5%. în vasul cu electrolit se cufundă doi electrozi formaţi din două plăci de plumb, placă pozitivă şi negativă 3. Capetele plăcilor formează bornele acumulatorului. Procesul fizico-chimic decurge în felul următor. Dacă împreunăm capetele plăcilor (bornele) cu polii unei surse de curent continuu, se va observa că suprafaţa plăcii legate cu polul pozitiv (+) a sursei de curent, începe să se schimbe. Pe ea se formează un strat de culoare roşiatică închisă de peroxid de plumb (PbO,) ca rezultat al elaborării de oxigen de către curentul electric, la acest pol (fig a şi b). Fig Schema reacţiilor în bateria de acumulator: A şi b la încărcare; c şi d la descărcare[33,36] Pe placa legată cu polul negativ (-), în urma faptului că este atacată de acidul sulfuric se formează hidrogen, iar placa devine de felul unui plumb spongios. Deci, după un anumit timp de acţiune a curentului electric, rezultă două plăci cu suprafeţe deosebite; placa pozitivă cu peroxid de plumb (PbO.) şi placa negativă cu plumb spongios (Pb). Reacţiile care au avut loc datorită curentului electric sunt: - Pe placa pozitivă: Pb + SO4H + O = PbSO4 + SO4 + HO =PbO + SO4H - Pe placa negativă: Pb + SO4H = PbSO4 + H = Pb + S O4H. Curentul electric folosit de la sursă, datorită căruia au avut loc aceste procese chimice se numeşte curent de încărcare. Starea în care plăcile sunt din peroxid de plumb şi plumb spongios, iar electrolitru) este de concentraţie maximă admisibil, se numeşte stare încărcată, avem un acumulator încărcat. 34

133 Curentul electric pe care-l poate debita acumulatorul se numeşte curent de descărcare. În timpul descărcării, acidul sulfuric se descompune în ioni de (SO4) şi (H). Hidrogenul merge la placa pozitivă de la care ia oxigenul din peroxid de plumb şi formează apa, iar plumbul se combină cu sulfatul dând sulfatul de plumb. Sulfatul împreuna cu plumbul de la placa negativă dă sulfatul de plumb. O dată cu aceasta electrolitul se diluează, densitatea lui scade (fîg.5.3. d). Reacţiile chimice care au loc în timpul descărcării sunt: Pe placa pozitivă: PbO + SO4H + H = SO4Pb + SO4 + HO Pe placa pozitivă: Pb + S04 = SO4Pb. După terminarea descărcării, acumulatorul poate fi iarăşi încărcat şi aceste operaţiuni se repeta de mai multe ori. După mai multe încercări şi descărcări se poate constata că acumulatorul poate înmagazina o cantitate mai mare de energie electrică şi apoi să o cedeze la descărcare. Acest proces se numeşte: formarea acumulatorului. Aceasta se explică prin faptul că, prin încercări repetate se formează o cantitate mai mare de peroxid de plumb pe placa pozitivă şi plumb spongios pe placa negativă, adică se măreşte masa activă a electrozilor, iar acumulatorul are o capacitate mai mare de înmagazinare a energiei electrice. Celule grătarului se umplu cu o pastă preparată din litargă (PbO) si miniu de plumb (Pb3O4) sau de cele mai multe ori din praf de plumb ce se oxidează în timpul măcinării, care se amestecă cu acid sulfuric. După uscare, plăcile sunt cufundate în electrolit şi acumulatorul e supus formării prin legare la un generator de curent continuu. Una dintre plăci se leagă la peria pozitivă (+) iar cealălaltă la peria negativă (-). Sub acţiunea curentului electric debitat de generator, pe placa pozitivă se formează peroxidul de plumb (PbO) de culoare brună, iar pe placa negativă se formează plumbul spongios (Pb), de culoare cenuşiu închis. Astfel pregătite plăcile au o constituţie poroasă şi electrolitul se îmbibă în porii plăcilor, în această stare acumulatorul este încărcat şi poate fi folosit prin legare în circuit electric cu diferiţi consumatori, când el furnizează curentul electric de descărcare Tensiunea şi capacitatea acumulatorului Un element de acumulator, independent de mărimea plăcilor, în stare încărcată are o tensiune de aproape,5-,7 V, care la începerea descărcării scade şi se menţine la tensiunea de V. La descărcarea completă tensiunea scade până la,8 V. [,,7,33,36] 35

134 Prin capacitatea acumulatorului se înţelege cantitatea de electricitate pe care o dă un acumulator bine încărcat, la descărcarea lui cu un curent de intensitate constantă, până la tensiunea limită, indicată de uzină. Capacitatea acumulatorului se exprimă în (A.h.) amperi-ore. Ea este egală cu produsul dintre intensitatea curentului de descărcare, măsurată în amperi şi timpul în ore, în care acumulatorul se descarcă la intensitatea respectivă. De exemplu, dacă un acumulator arc o capacitate de 60 A.h. atunci el poate debita timp de 0 ore, un curent constant de 3 A. Capacitatea acumulatorului depinde de mărimea plăcilor şi de numărul lor. Pentru a mări capacitatea fără a mări prea mult dimensiunile acumulatorului, se iau mai multe plăci pozitive şi negative. Toate plăcile pozitive se leagă între ele în paralel, la fel şi plăcile negative. În vederea reducerii rezistenţei interioare a acumulatorului, distanţa între plăci se ia minim posibilă. Capacitatea nominală a unei baterii se numeşte capacitatea indicată şi garantată de uzina, în condiţiile respectării prescripţiilor de folosire şi întreţinere Bobina de inducţie Bobina de inducţie este organul din sistemul de aprindere cu ajutorul căruia se transformă curentul de joasă tensiune (6, sau 4 V) şi intensitatea relativ mare (-6 A) în curent de înaltă tensiune ( V) şi intensitate mică (0,5 miliamperi). Din punct de vedere electrotehnic, bobina de inducţie este un transformator. Ea este compusă dintr-un miez de oţel moale format din tole subţiri de 0,4 mm, acoperite cu un strat de material izolant spre a împiedica formarea curenţilor turbionari. Miezul este îmbrăcat într-un tub de carton 6, peste care este înfăşurat bobinajul secundar8, format din de spire din sârmă de cupru, cu diametrul de 0,07-0, mm, izolată cu . Înfăşurarea este făcută în mai multe straturi izolate de asemenea între ele prin benzi de hârtie parafinată. Primele şi ultimele spire ale bobinajului au izolaţie mai puternică şi sunt distanţate la -,5 mm, în scopul protejării izolaţiei contra străpungerii. Deasupra înfăşurării secundare este îmbrăcat tubul de carton, peste care este înfăşurat bobinajul primar7, compus din spire din sârmă de cupru, cu diametrul de 0,8 mm, izolată cu . Bobinajul primar este înfăşurat deasupra cu hârtie parafinată peste care se înfăşoară câteva foi din tablă de oţel de transformator. Capetele bobinajului primar sunt scoase afară la două borne laterale. Un capăt al bobinajului secundar este legat la bobinajul primar şi prin aceasta la masă, iar al doilea capăt este adus la borna centrală a capacului, făcut din carbolit. Miezul de fier cu bobinajele pe el, se montează pe izolatorul şi totul se îmbracă cu mantaua metalică, iar spaţiile rămase goale în interior se umplu cu 36

135 rubrax topit - material electroizolant pe baza de bitum, care se solidifică foarte repede. La un motor policilindric când turaţia se măreşte, întreruperea contactelor ruptorului se face atât de des, încât curentul în bobinajul primar nu reuşeşte să atingă valoarea necesară. Datorită acestui fapt câmpul magnetic în jurul bobinajului primar şi corespunzător tensiunea în bobinajul secundar, se micşorează. Acest neajuns se poate remedia dacă se va face bobinaj primar cu rezistenţă mică, însă el se va încălzi puternic când motorul are turaţie mică şi contactele sunt închise pe o durată de timp mai mare. Spre a reduce rezistenţa circuitului primar când turaţia motorului creşte, unele bobine de inducţie au legat la circuitul primar, în serie, o rezistenţa suplimentară numită variator. Variatorul este făcut din material a cărui rezistenţă creşte foarte mult când acesta se încălzeşte. Deci, când motorul are turaţie mică variatorul se încălzeşte mai puternic şi creşte rezistenţa circuitului primar şi invers, când turaţia motorului creşte, iar contactele ruptorului rămân închise pe durată de timp foarte scurtă, curentul în circuitul primar este mic şi variatorul se încălzeşte puţin, iar ca rezultat rezistenţa circuitului primar este mică. Variatorul se face sub formă de spirala din oţel, montată peste rândul superior al bobinei, pe un suport de metal izolat cu o placă de porţelan. În acest caz, bobina de inducţie are o bornă laterala, pe capacul din carbolit şi alte două borne pe capacul superior, dintre care una se leagă prin conductor cu electromotorul de pornire, iar a doua se leagă cu fir dublu, unul merge la contact şi prin aceasta face legătură cu bateria de acumulatori, iar al doilea se leagă la plăcuţa montată pe dispozitivul de cuplare a electromotorului, prin care se va scurtcircuita la pornire ambele fire care vin de la variator Ruptor-distribuitor La sistemul de aprindere prin baterie şi transformator, ruptorul curentului de joasă tensiune şi distribuitorul curentului de înaltă tensiune sunt montate împreună, formând capul distribuitor sau coloana ruptor-distribuitor. Ruptorul serveşte la întreruperea circuitului primar, asigurând prin aceasta variaţia câmpului magnetic în bobina de inducţie, iar distribuitorul, la alimentarea cu curent de înaltă tensiune a bujiilor, conform ordini de funcţionare a cilindrilor motorului. Antrenarea axului ruptor-distribuitor se face în cele mai multe frecvente cazuri de la axul de came. Condensatorul are scopul de a reduce efectele negative ale curentului de ruptură şi de a feri de distrugere contactele. El se montează în paralel cu ruptorul şi înmagazinează curentul de ruptură din circuitul primar, în momentul îndepărtării contactelor ruptorului, evitând astfel apariţia scânteilor şi oxidarea contactelor. 37

136 Un condensator este format din două benzi de foiţă de staniol de 35 mm lăţime şi 000 mm lungime, izolate fiecare cu benzi de hârtie parafinată de 40 mm lăţime şi 00 mm lungime. Benzile de staniol se numesc armăturile condensatorului care se înfăşoară în rulou strâns şi se introduc într-o manta metalică de protecţie, de forma unui cartuş. De la fiecare armătură pleacă câte un conductor flexibil, dintre care unul se leagă cu mantaua metalică, deci cu masa, iar celălalt se scoate afară izolat Bujia Bujia serveşte la obţinerea scânteii electrice în camera de ardere a cilindrului (fig a, b). Fig Bujia: a- demontabilă; b- nedemontabilă Ea se compune din corpul şi electrodul central. Corpul construit din oţel, la partea inferioară este prevăzut cu filet pentru înşurubarea în chiuloasă, iar la partea superioară cu exagon pentru strângere. Electrodul central, de forma unei tije metalice, este prevăzut la partea superioară cu filet pe care se înşurubează piuliţa 6 şi se fixează fişa de la distribuitor. Izolantul 3 din porţelan, mică sau uralit, îmbracă la exterior electrodul central La partea inferioară a corpului se află unul, doi sau trei electrozi laterali 4. Între electrozii laterali şi electrodul central, se lasă o distanţă de 0,5-0,7 mm, între care se închide circuitul de înaltă tensiune, producând scânteia. Bujiile pot fi demontabile şi nedemontabile. La o bujie demontabilă (fig a), corpul metalic este compus din două părţi: corpul propiu-zis şi piuliţa de strângere 7, care se înşurubează în interiorul corpului, fixând electrodul central. Între corpul bujiei, izolator şi piuliţa de strângere, se aşează garnituri de cupru 8. Bujiile nedemontabile nu au piuliţă interioară de strângere şi izolatorul cu electrodul central sunt fixaţi în interiorul corpului cu ajutorul unui inel metalic 9 (fig b). 38

137 Pentru fiecare tip de motor se folosesc bujii de dimensiuni corespunzătoare. Caracteristicile principale ale unei bujii sunt: diametrul şi lungimea părţii înnecate (care se înşurubează). Diametrul poate fi de, 8, 4, şi 0 mm Caracteristica termică a bujiei Un motor funcţionează bine atunci când porţiunea inferioară a electrodului central şi a izolantului ce o acoperă, care vine în contact cu flacăra în interiorul cilindrului, îşi ridică temperatura foarte repede peste 500 C şi apoi o menţine pe toată durata funcţionării motorului fără a depăşi temperatura de 850 C. Între aceste valori, vârful electrodului centrat şi al izolantului se încălzesc până la culoarea roşu şi roşu-gălbui. Dacă temperatura depăşeşte 850 C, atunci se pot produce preaprinderi ale amestecului carburant înainte de momentul producerii scânteii, datorită bujiei prea încălzite. Dacă temperatura se menţine sub 500 C, atunci particulele de ulei care nimeresc pe electrozi nu ard momentan, bujia se ancrasează, nu mai produce scântei, motorul funcţionează cu întreruperi. Din aceste motive, o temperatura minimă de 500 C se numeşte temperatură de autocurăţire, iar cea maximă de 850 C - temperatură de autoaprindere. Proprietatea unei bujii de a atinge cât mai repede temperatura de regim, cuprinsă între C şi a o menţine pe durata funcţionării motorului, se numeşte caracteristica termică a bujiei. Valoarea termică a bujiei se exprimă printr-un şir de numere: 0, 5, 45, 95, 5, Bujiile reci au izolant scurt, deci suprafaţa de încălzire mică, iar valoarea termică mare, deoarece este nevoie de o cantitate mai mare de căldura care să fie preluată de la flacără din cilindru, până ce bujia va ajunge la temperatura de regim. Invers, bujiile calde au izolantul lung, deci suprafaţa de încălzire mare, iar valoarea termică mică, deoarece au nevoie de mai puţină căldură până să ajungă Ia temperatura de regim Aprinderea prin magnetou Magnetoul este o maşină electrică care produce curent electric alternativ de joasă tensiune, îl transformă în curent de înaltă tensiune şi îl distribuie la bujii, în vederea aprinderii amestecului carburant în cilindri, conform ordinii de funcţionare a motorului. Spre deosebire de sistemul de aprindere pe baterie şi transformator, magnetoul se caracterizează prin aceea că - sursa de curent, transformatorul curentului de joasă tensiune în curent de înaltă tensiune şi distribuitorul sunt concentrate într-un singur aparat complex. 39

138 Energia electrică în magnetou se obţine prin consum de energie mecanică a motorului, care pune în mişcare de rotaţie organele mobile ale magnetoului. La baza obţinerii energiei electrice o stă principiul inducţiei electro-magnetice. Părţile principale ale unui magnetou sunt: - Sistemul magnetic, cu ajutorul căruia se obţine un câmp magnetic variabil; - Bobinajul primar, cu ruptor şi condensator, care serveşte la obţinerea curentului de joasă tensiune si la întreruperea lui bruscă; - Bobinajul secundar, necesar pentru obţinerea curentului de înaltă tensiune; - Distribuitorul curentului de înaltă tensiune, necesar pentru dirijarea curentului către bujii; - Mecanismul avansului de aprindere, în vederea schimbării momentului aprinderii. După felul de excitaţie a curentului electric, magnetourile se deosebesc de trei tipuri: - Magnetou cu bobină fixă şi magnet rotativ. - Magnetou cu bobină rotativă şi magnet fix. - Magnetou cu bobină şi magnet fixe şi cu voleţii mobili Magnetoul cu magnet fix şi bobinaj rotativ La acest tip de magnetou partea fixă o formează magnetul permanent, iar partea mobilă, bobinajul primar şi secundar împreună cu cuptorul. Construcţia şi funcţionarea acestui tip de magnetou sunt următoarele: între polii a doi magneţi naturali (fig. 3.55) se roteşte un miez de fier, din tole de oţel în formă de dublu T, numit ancoră. Pe partea centrală a ancorii sunt bobinate înfăşurările primară 3 şi secundară 4. Aceasta împreună cu miezul formează rotorul. De laturile miezului sunt fixate două flanşe a căror capete se termină prin fusuri de ax. În interiorul flanşei anterioare S, este montat condensatorul 6, iar lateral în exteriorul flanşei, pe fus, este rulmentul de sprijin şi apoi îmbrăcat platoul ruptomlui 7. 40

139 Fig Schema magnetoului cu magnet fix şi bobinj rotativ La flanşa posterioară 8, pe fus este fixat colectorul. Bobinajul primar este din sârmă de cupru de 0,65- mm diametru, cu spire, are un capăt prins de miez iar celălalt capăt scos printr-o bucşă din material izolant, montată în fusul flanşei anterioare 5. Bobinajul secundar este din sârmă de cupru de 0,07-0, mm, cu spire, are un capăt legat de bobinajul primar, deci de masă, iar al doilea capăt este scos la colectorul. Bobinajele sunt izolate între ele. Condensatorul 6 este din foiţe de staniu izolate între ele. Jumătate din foiţă prin contactul comun este legată la ruptor, iar restul deasemenea prin contact comun se leagă de masă. Platoul ruptorului 7 se îmbracă prin bucşă pe fusul flanşei anterioare şi se fixează în poziţie cu ajutorul şurubului central 0, care se înşurubează în bucşa izolatoare //, stabilind în acest fel legătura cu capătul izolat al bobinajului primar. Pe platou sunt fixate ciocănelul 9 şi nicovala 8. Ciocănelul este mobil în jurul axului sau, iar nicovala fixa şi izolată de masă. Fiecare poartă câte un contact din material greu fuzibil. Contactul nicovalei poate fi reglat ca poziţie prin înşurubare pe suportul sau. Cutia ruptorului are în interiorul său două praguri cu ajutorul cărora se îndepărtează ciocănelul. Pe colectorul se sprijină cărbunele-perie 3 menţinut în suportul 4 din material izolant, prin care trece conductorul pentru transmiterea curentului de înaltă tensiune la contactul central 5, al distribuitorului 6. Distribuitorul este prevăzut cu un număr de contacte laterale sau ploţi, egal cu numărul cilindrilor motorului. Prin rotirea contactului central de distribuţie, curentul prin ploţi trece la fisele 7 şi apoi la bujiile 8. 4

140 Principiul de funcţionare este similar cu magnetoul cu bobinaj fix. Când miezul ocupă poziţia orizontală, prin partea lui centrală pe care sunt înfăşurate, trece fluxul magnetic maxim (fig.3,55.a) iar în poziţia verticală a miezului fluxul magnetic nu trece de loc prin partea centrală (fig.3.55.c). În poziţii intermediare fluxul magnetic trece parţial prin miezul central (fig b) şi prin rotirea ancorei fluxul magnetic o să varieze ca mărime şi sens de două ori la o rotaţie. Fig Poziţiile bobinajului rotativ (ancorei) între polii magnetului şi închiderea fluxului Fluxul magnetic variabil şi alternativ va induce în circuitul primar curent de joasă tensiune. Prin întreruperea circuitului primar cu ajutorul ruptorului se induce în circuitul secundar curent de înaltă tensiune, care prin colector, distribuitor şi fişe, este dirijat la bujii între electrozii cărora se produc scânteile. 3.. Sistemul de ungere Dacă punem în contact două suprafeţe aflate în mişcare una faţă de alta, va lua naştere o foiţă care se opune mişcării, numită forţă de frecare. Aceasta va fi cu atât mai mare, cu cât asperităţile suprafeţelor vor fi mai mari. Prin frecare, asperităţile se tocesc şi ia naştere căldura.[3,9,6,] La tractoare şi automobile, sunt multe organe care se freacă în timpul lucrului. Datorită faptului că piesele nu se pot finisa în aşa fel ca suprafeţele lor să fie perfect netede, ele rezultă cu asperităţi, iar prin frecarea lor reciprocă, dau naştere la uzuri. De asemenea asupra mărimii forţei de frecare influenţează felul materialelor din care sunt făcute organele şi condiţiile în care are loc frecarea. După felul contactului între suprafeţele organelor, frecarea poate fi: - frecare uscată, când suprafeţele vin în contact direct ungerea între suprafeţele aflate în frecare lipseşte, iar uzura lor este mare; 4

141 - frecare semilichidă, când între suprafeţe se află un strat de lichid care nu acoperă vârfurile asperităţilor, ungerea este incompletă, iar uzura suprafeţelor este moderată. Când cantitatea de lichid interpus între suprafeţele în frecare este mică, se mai deosebeşte frecarea semiuscată. În acest caz la o funcţionare prelungită a organelor, uzura este pronunţată. Fig Schema diferitelor feluri de frecare între două suprafeţe în contact a- frecare uscată; b- frecare semilichidă; c- frecare lichidă Practic o delimitare categorică între frecarea semilichidă şi frecarea semiuscată nu este posibilă: - frecarea lichidă, când suprafeţele în frecare sunt separate complet de stratul de lichid iar uzura lor este minimă. Frecarea lichidă este de ori mai uşoară decât frecarea uscată, Introducând un strat de lubrifiant între suprafeţele în mişcare, frecarea dintre ele este înlocuită cu frecarea dintre particulele lubrifiantului, având loc o alunecare a pieselor de particulele de lichid, ceea ce duce la reducerea frecării şi uzurii. Totodată stratul de lubrifiant serveşte ca material răcitor pentru îndepărtarea căldurii care ia naştere prin frecarea suprafeţelor în contactarea are rolul de a micşora frecarea dintre piese, de a înlocui frecarea uscată cu cea lichidă. Ungerea suprafeţelor în frecare se face folosind diferite materiale de ungere, lichide şi consistente. Numim ungere, introducerea unei pelicule de material de ungere între suprafeţele de frecare a diferitelor asamblări mobile de organe. Pentru ca ungerea să se facă mai bine, este necesar să asigurăm o circulaţie a lubrifiantului între suprafeţele de frecare. Prin aceasta se îndepărtează şi impurităţile ce iau naştere prin tocirea asperităţilor. În cazul motoarelor cu ardere internă, în afară de reducerea frecării, îndepărtarea căldurii şi a impurităţilor ce rezultă din frecare, mai este necesară îndepărtarea reziduurilor de ardere din cilindru, protejarea suprafeţelor împotriva coroziunii şi asigurarea etanşeităţii dintre cilindru şi piston. Ca material de ungere se folosesc uleiuri minerale lichide. 43

142 Toate acestea se realizează printr-un circuit corespunzător al uleiului în motor, asigurat de o serie de organe, care împreună alcătuiesc sistemul de ungere. La motoarele cu ardere internă, rolul sistemului de ungere este deci următorul: - trimite automat şi în continuu ulei între organele care se freacă; prin aceasta se reduce consumul de putere necesar pentru învingerea frecării şi se micşorează uzura organelor motorului; - îndepărtează căldura rezultată prin frecare şi parţial căldura cedată prin contact între organe; - asigură etanşeitatea dintre cilindru şi piston, împiedicând scăparea gazelor în carter; - curăţă suprafeţele în frecare de zgură şi şpan metalic, având rol de spălare; - protejează organele motorului împotriva coroziunii ce ia naştere ca rezultant al acţiunii produselor de ardere, oxigenului şi apei. 3.. Condiţiile de ungere ale organelor motorului Diferitele organe în frecare ale motorului impun condiţii de ungere deosebite. Ideal ar fi ca în toate locurile să asigurăm o frecare lichidă, dar acest lucru nu este pe deplin posibil. [3,9,6,] Lagărele paliere şi magnetoane ale arborelui cotit, în timpul funcţionării motorului sunt supuse la solicitări mari, în ele şi frecarea fiind cea mai mare. Menţinerea unui strat de ulei cât mai gros între fus şi lagăr, este o problemă destul de grea şi depinde de vâscozitatea uleiului, turaţia arborelui, dimensiunile lagărului şi jocurile în lagăr, în general, mărindu-se cantitatea de ulei, funcţionarea lagărelor se îmbunătăţeşte. Menţinerea în tot timpul funcţionarii motorului a unui strat de ulei între fus şi lagăr se bazează pe principiul penei. Astfel, când fusul începe să se rotească, antrenează cu el uleiul ce s-a lipit de suprafaţa lui şi înconjoară fusul sub forma unei pelicule subţiri. Deoarece uleiul se lipeşte şi de suprafaţa imobilă a lagărului, atunci uleiul antrenat de fus, formează cu acesta un strat în formă de pană, datorită căruia suprafaţa fusului se îndepărtează de suprafaţa lagărului, se ridică în sus şi deplasându-se puţin în direcţia sensului de mişcare, se menţine pe stratul de ulei format, iar frecarea nu are loc între suprafeţe metalice, ci între straturile interioare ale uleiului. Odată cu uleiul sunt antrenate şi impurităţile cuprinse în el. Astfel, o ungere bogată a cilindrului, va duce inevitabil la formarea zgurei în camera de ardere, pe pistoane, segmenţii şi supape.. Organele mecanismului de distribuţie necesită o ungere mai puţin intensivă, deoarece ele nu sunt supuse solicitărilor atât de mari ca organele mecanismului bielămanivelă. 44

143 La pornire, când motorul este rece, atât lagărele, cât şi celelalte organe în frecare ale motorului, pot avea o ungere nesatisfăcătoare datorită lipsei de ulei şi vâscozităţii moleculelor acestuia de a adera la suprafaţa metalelor. Ungerea altor organe ajutătoare ale motorului (ventilatorul, pompa de apă, magnetoul etc.) se face periodic. 3.. Metodele de ungere La motoare se folosesc diferite metode de ungere, potrivit cărora, în cadrul sistemului respectiv uleiul în mişcarea execută ungerea, apoi în majoritatea cazurilor este recuperat, se răceşte şi se regenerează, pentru ca să intre din nou în circuit. Deosebim următoarele tipuri de sisteme de ungere: - ungere fără circuit propriu - ungere cu circuit deschis - ungere cu circuit închis Ungere fără circuit propriu se întâlneşte la motoarele la care uleiul nu are un drum propriu. Uleiul se amestecă în benzină în proporţie de /5-/0, el va trece împreună cu combustibilul mai întâi prin carter, apoi în cilindru, unde sub formă de particule fine execută ungerea diferitelor suprafeţe în frecare. Se foloseşte la motoarele cu carburator în doi timpi cu refulare prin carter de mică putere, cum ar fi servomotorul P.D.-0, la diferite motoroaşe pentru motopompe, motocultoare ca şi la motocicletă. Ungerea cu circuit deschis se foloseşte mai rar fiind neeconomică. Uleiul trece o singură dată prin motor, execută ungerea diferitelor organe în frecare şi apoi este evacuat sau ars odată cu combustibilul. Se foloseşte la unele motoare cu calorizator. Ungerea cu circuit închis se foloseşte cel mai des. Uleiul plecând dintr-un rezervor face ungerea organelor în frecare şi se reîntoarce la locul de plecare, pentru ca să reintre în circuit. Ungerea cu circuit închis este de mai multe feluri: - ungere prin barbotaj, (stropire), - ungere prin barbotaj cu circulaţie, - ungere forţată, prin pompă, - ungere mixtă. Datorită acestor dispozitive suplimentare, uleiul este filtrat şi menţinut totdeauna la acelaşi nivel în coveţi, ceea ce creează condiţii mai bune de ungere pentru toate bielele indiferent de poziţia motorului. Acest sistem de ungere se foloseşte la motoare de mică putere, cu număr mic de cilindri (-4 cilindri), în special la motoare cu carburator. Ungerea forţată cu pompa se utilizează la unele motoare stabile şi motoare de tractor în doi timpi. De la rezervor, uleiul vine la pompa centrală care îl trimite prin 45

144 conducte la locurile de ungere: fusele paliere şi magnetoane, cilindrul şi pistonul, regulatorul de turaţie, etc. După ce a executat ungerea, uleiul poate fi recuperat în carter. Este o ungere neeconomică şi nu atât de perfectă. Ungerea mixtă satisface cel mai bine necesităţile diferite de ungere din motor, întrucât lagărele sunt unse în abundenţă cu ulei sub presiune, iar cilindrul şi pistoanele stropite cu picături fine de ulei. Aici ungerea prin pompă este completată cu ungerea prin barbotaj Sistemul de răcire Probleme generale privind răcirea motorului În timpul funcţionării motorului termic cu ardere internă, organele lui care vin în contact cu gazele arse, a căror temperatură, este ridicată, se încălzesc destul de puternic.[8,7,33] Temperatura maximă din camera de ardere atinge valori de l C, iar temperatura medie pe durata ciclului, pentru condiţiile normale de funcţionare a motorului variază între C. În urma acestui fapt, se încălzesc toate organele motorului, în special o încălzire puternică suferă cilindrii, chiuloasa, pistoanele şi supapele. Dacă aceste organe nu vor fi răcite, atunci funcţionarea motorului devine defectuoasă, în principal observându-se următoarele fenomene: - se înrăutăţeşte ungerea organelor în frecare, deoarece uleiul începe să se descompună la temperatura de 350 C, îşi pierde proprietăţile sale de ungere, iar la 400 C începe să se cocseze şi să se ardă; - datorită supraîncălzirii organelor motorului, are loc o dilatare neuniformă a lor şi se modifică jocurile normale dintre organele în frecare; - prin încălzire puternică, scad proprietăţile mecanice ale materiarelor din care sunt executate organele motorului şi datorită solicitărilor termice, apar deformaţii; - se micşorează coeficientul de umplere a cilindrilor motorului, iar ca rezultat scade puterea motorului; - apare posibilitatea autoaprinderi şi detonaţiilor care pot provoca defectarea şi chiar avarierea motorului. Spre a evita aceste neajunsuri, motorului i se face o răcire artificială, îndepărtând căldura de la piesele încălzite şi evacuându-se în afară, fie direct, fie prin intermediul unui lichid. Îndepărtarea căldurii de la organele motorului reprezintă o pierdere a unei părţi din căldură obţinută prin arderea combustibilului, însă, ea este necesară pentru asigurarea bunei funcţionări a motorului. O răcire exagerată a motorului nu este bună, deoarece în acest mod are loc condensarea combustibilului pe pereţii cilindrilor, se diluează uleiul, se înrăutăţeşte ungerea, frecarea se măreşte, amestecul carburant se aprinde greu şi 46

145 arde încet, puterea motorului se micşorează, iar funcţionarea lui este neeconomică, deoarece consumul de combustibil creşte. Mărimea cantităţii de căldură care trebuie îndepărtată de la motor prin răcire, depinde în mare măsură de construcţia lui, de felul cum este răcit şi în medie variază în jur de 30% din toată cantitatea de căldură obţinută prin ardere. Organele şi dispozitivele cu ajutorul cărora se face răcirea motorului formează sistemul de răcire. Rolul sistemului de răcire al motorului termic cu ardere internă este de a asigura în timpul funcţionării lui îndepărtarea unei părţi din căldură şi a menţine organele motorului la o anumita temperatura numită temperatură de regim termic normal. La motoarele termice cu ardere internă sistemele de răcire pot fi de două feluri: - răcire directă, cu aer; - răcire indirectă, cu lichid Sistemul de răcire directă Sistemul de răcire directă, cu aer, se caracterizează prin aceea că îndepărtarea căldurii de la organele încălzite ale motorului se face direct de către aerul exterior, care scaldă organele motorului. După destinaţia motorului respectiv, sistemul de răcire cu aer poate fi de două tipuri: fără turbină şi cu turbină. [8,7,33] La motoarele răcite cu aer (fig.7.), suprafeţele exterioare a cilindrului şi chiuloasei sunt prevăzute cu lamele, prin intermediul cărora se măreşte suprafaţa de contact a motorului cu aerul şi căldura este cedată mai uşor. În vederea unei răciri mai bune, chiuloasa se face din aliaj de aluminiu, iar la unele motoare peste cilindru din fontă, se îmbracă o cămaşă cu lamele în exterior turnată din aluminiu sau cupru, materiale cu coeficient de conductibilitate termică ridicat. În cazul motoarelor cu mai mulţi cilindri, folosite pe autovehicule care se deplasează cu viteză mare, motorul este scăldat de un curent puternic de aer, deci căldura este cedată aerului uşor, atunci sistemul de răcire nu mai are alte dispozitive Sistemul de răcire indirectă La acest sistem, căldura ce trebuie evacuată de la motor este preluată de către apă, fiind apoi cedată aerului. Motorul este prevăzut cu un spaţiu liber în jurul cilindrilor şi camerei de ardere prin care circulă apa, formând cămaşa de apă sau de răcire, al motorului. [8,7,33] Acest sistem de răcire în timpul funcţionării motorului asigură menţinerea unei temperaturi scăzute şi mult mai constante în comparaţie cu sistemul de răcire directă. 47

146 Temperatura optimă a apei în sistemul de răcire variază între C la motoarele pe petrol şi C la motoarele pe benzină şi motoarele Diesel. Acesta corespunde regimului termic normal al motorului. Sistemele de răcire indirectă pot fi de următoarele tipuri: prin vaporizare, prin termosifon, răcire cu circuit forţat, prin pompă de răcire cu circuit forţat prin pompă şi termostat. Sistemul de răcire cu circuit forţat prin pompă şi cu termostat se compune din aceleaşi organe ca şi sistemul de răcire prin pompă, în plus (fig.3.58.), în racordul 3 din chiuloasă, care face legătura cu radiatorul 6, se afla montat termostatul 8. Acesta permite trecere apei spre radiator la răcire numai când temperatura ei a depăşit 70 C. În felul acesta termostatul reglează automat circulaţia apei în sistemul de răcire în funcţie de temperatură. Fig Schema sistemului de răcire forţat prin pompă şi cu termostat Funcţionarea sistemului de răcire cu circuit forţat şi termostat este următoarea: la pornire, când apa din sistem este rece, pompa de apă 5 antrenează apa pe circuitul: pompă-bloc-chiuloasă şi prin ferestrele termostatului din nou la pompă, deoarece termostatul menţine închis racordul de trecere a apei spre radiator. Termostatul este un dispozitiv care reglează automat circulaţia apei din sistemul de răcire şi menţine un regim de temperatură între limitele apropiate regimului termic normal. Deasemenea el ajută la încălzirea rapidă a motorului după pornire, lucru foarte important mai ales pe timp rece. Termostatele sunt de mai multe feluri: cu lamelă bimetalică, cu piston, însă răspândirea cea mai largă o au termostatele cu burduf cu lichid şi supapă dublă. Un asemenea termostat (fig3.59.) este format dintr-un cilindru de alamă închis etanş, cu pereţii gonflaţi, formând un burduf elastic. 48

147 Fig Termostatul a- circulaţia apei scurtcicuitată; b- circulaţia apei prin radiator În interiorul burdufului se află un lichid a cărui temperatură de fierbere este sub 00 C (soluţie apoasă de eter). La partea superioară, pe burduf este montată tija 3, de care este fixată supapa dublă: inferioară şi superioară 5. Burduful este montat cu partea inferioară pe corpul termostatului 4, care lateral are două ferestre 6, ce pot fi închise de supapa iar la partea superioară un orificiu închis de supapa 5. Supapele lucrează alternativ, când una este închisă, cealaltă este deschisă şi invers. Termostatul se află montat într-o cameră a racordului chiuloasei care face legătura cu radiatorul. De la camera termostatului porneşte o ramificaţie 7, sub forma unei conducte de derivaţie, care merge la pompă. La pornire, când motorul este rece, burduful este comprimat şi ambele supape sunt lăsate în jos. Supapa superioară 5 închide accesul apei spre radiator lăsând-o să treacă prin orificiile 6 deschise de supapa inferioară şi prin conducta de derivaţie 7, la pompa de apă, încât apa circulă numai în bloc şi chiuloasă şi se încălzeşte repede. Când temperatura apei depăşeşte 70 C, lichidul din burduf se vaporizează şi se dilată, întinde burduful şi o dată cu el începe să deplaseze supapele în sus. Când motorul este încălzit şi temperatura apei a trecut de 80 C, supapa superioară 5 este ridicată şi orificiul deschis complet, permiţând apei să treacă spre radiator la răcire, în timp ce supapa inferioară, prin ridicare închide orificiile laterale 6 şi opreşte trecerea apei spre pompă prin conducta de derivaţie 7. În acest fel prin schimbarea poziţiei supapelor, se menţine automat temperatura optimă de funcţionare a motorului. Pompa de apă serveşte la antrenarea apei în sistemul de răcire forţat. La tractoare şi automobile, pompele de apă sunt de tipul centrifugal, cu palete şi pot avea amplasarea superioară, montate pe axul comun cu ventilatorul sau se montează lateral în partea inferioară a blocului. 49

148 Aşezarea pompei de apă determină construcţia şi modul ei de acţionare. Acţionarea se face prin roţi dinţate şi ax, de la angrenajele distribuţiei, sau prin curea de la fulia arborelui motor. Pompa de apă cu aşezare inferioară este formată din: corpul turnat din fontă şi capacul prins cu şuruburi. Între corp şi capac etanşarea se face prin intermediul unei garnituri. Prin racordul de evacuare, pompa comunică cu cămaşa de apă a motorului. Conducta de admisie este racordată prin intermediul unui manşon de cauciuc cu bazinul inferior al radiatorului. Pe axul, este fixat rotorul cu palete3. Prin rotirea axului paletele rotorului antrenează apa din bazinul inferior prin conducta şi o refulează sub presiune prin racordul de evacuare în cămaşa de răcire. La amplasarea superioară pompa se află montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului cilindrilor, pe ax comun cu ventilatorul, fiind antrenată împreună cu acesta, prin una sau două curele trapezoidale, de la fulia montată pe capătul dinainte al arborelui cotit al motorului montată în faţă, la nivelul treimii superioare a blocului cilindrilor, pe ax comun cu ventilatorul, fiind antrenată împreună cu acesta, prin una sau două curele trapezoidale, de la folia montată pe capătul dinainte al arborelui cotit al motorului Parametrii principali şi comparativi ai motoarelor Puterea indicată pi si efectivă pef a motorului. [,8,33,36] În formă generală, puterea este definită ca lucru mecanic produs în unitatea de timp. Dacă efectuăm o cantitate de lucru mecanic L kgm, în timpul t secunde, atunci puterea se va exprima: L P kgm /s t Deoarece lucrul mecanic este produsul forţei F, măsurată în kilograme forţă, cu deplasarea S, măsurată în metri, atunci: FS P kgm /s t Deci pentru determinarea puterii motorului conform acestei formule generale trebuie să cunoaştem trei mărimi: forţa, deplasarea şi timpul. Spre a determina puterea motorului în unităţi tehnice folosite practic, în cai putere, atunci puterea exprimată în kgm/s trebuie împărţită la 75, cunoscând că CP = 75 kgm/s. FS P 3.98 t75 CP Forţa se va determina ca produsul dintre presiunea medie a gazelor asupra capului de piston. Pentru că presiunea se exprimă în kgf/cm atunci suprafaţa capului de piston trebuie luată în cm. d Suprafaţa capului de piston fiind suprafaţa unui cerc egala cu 4 50

149 d Atunci: F p kgf i 4 în care: d este diametrul pistonului, luat în cm; Pi - presiunea medie indicată reala, în kgf/cm Deplasarea, pe lungimea căreia acţionează forţa, va fi reprezentată prin cursa S a pistonului, măsurată în metri. Timpul, în care s-a efectuat lucrul mecanic se va reprezenta prin durata efectuării unui ciclu, iar aceasta se determină după turaţia n a motorului, care se dă în rotaţii pe minut. Deoarece avem motoare la care ciclul se efectuează în 4 şi în timpi, rezultă că durata pentru fiecare ciclu va fi experimentată diferit. La motorul în 4 timpi, un ciclu se efectuează la două rotaţii, deci la un motor care are n rot/min se vor efectua: n/ ciclu în 60 secunde, iar ciclu, în secunde n n La motorul în timpi, un ciclu se efectuează la o singură rotaţie, deci: n ciclu în 60 secunde, iar l ciclu se efectuează în 60/n secunde. Înlocuind în formula generală a puterii valorile forţei, deplasării şi timpului, vom obţine: Pentru motorul în 4 timpi, cu un cilindru nd pis 4 d pisn Pi CP n Pentru motorul în doi timpi, cu un cilindru: nd pis 4 d p S i n Pi CP n Spre a generaliza formula puterii, indiferent de câţi timpi se realizează ciclul motorului, este necesar să ţinem cont de coeficientul de timp. Dacă vom scrie: 60k t s n în care: k este coeficientul de timpi şi anume: pentru motoare în patru timpi k = 4 şi pentru motoare în doi timpi k =, se poate observa uşor că înlocuind valoarea lui k după caz, obţinem valoarea timpului în care se efectuează ciclul respectiv exprimat prin turaţie. Atunci formula puterii va primi forma generală: 5

150 d pis n Pi CP k Dacă avem un motor cu mai mulţi cilindri, i este evident că puterea lui va fi mai mare de atâtea ori câţi cilindri sunt, deci: d pis P n i CP (3.99) k Din formula 3.99 se vede ca produsul 5 d 4 S V s reprezintă cilindreea d Si motorului cu un singur cilindru, iar V volumul total al cilindrilor t 4 motorului sau cilindreea totală, care obişnuit este exprimată în dm 3 sau litri. Deoarece în formula puterii diametrul pistonului a fost luat în cm iar cursa lui în m atunci pentru a exprima cilindreea în dm 3 sau litri aceste valori trebuie transformate în decimetri, iar formula puterii va primi forma următoare: 0Vs pin Vs pin Pi CP k 5 k Corespunzător, pentru un motor cu mai mulţi cilindri, vom avea: 0V t pin Vt pin Pi CP k 5 k Puterea indicată a motorului, nu o putem folosi practic. Ea este o putere convenţională stabilită de noi şi reprezintă acea putere care se dezvoltă în camera de ardere a motorului în timpul funcţionării lui. În mod efectiv noi folosim această putere după ce a fost transmisă până la arborele cotit al motorului, suferind în procesul transmitem o sene de consumuri, care practic le denumim pierderi. O parte din puterea indicată se consumă pentru învingerea forţelor de frecare, acţionarea organelor ajutătoare ca: pompe, ventilator, magnetou sau dinam etc. Raportul dintre puterea efectivă si puterea indicata se numeşte randamentul mecanic: Pef m 3.0 Pi de unde rezultă că puterea efectivă poate fi exprimată astfel: Pef P i n Însă consumurile din puterea indicată pot fi reprezentate drept pierderi din presiunea medie indicată, în rezultat obţinându-se o presiune medie reală sau efectivă pef, a cărei valoare va fi întotdeauna mai mică.

151 Aceasta înseamnă că raportul dintre presiunea medie efectivă şi presiunea medie indicată ne va caracteriza de asemenea randamentul mecanic: Pef m Pi de unde rezultă: Pef P i m Valoarea presiunii medii efective variază între 4-6 kgf/cm. În baza acestor considerente, introducând în formulele puterii indicate valoarea presiunii medii efective, vom obţine formula puterii efective: d pi msni Pef CP k şi exprimată prin cilindree: p p V n i mvt n ef t Pef CP k 5k Valoarea randamentului mecanic depinde de turaţie şi pentru motoarele de tractor şi automobil variază între 0,85-0,9. Analizând puterea efectiva pef, se vede că ea creste daca se măreşte presiunea efectivă, cilindreea totală, turaţia si dacă ciclul de funcţionare se desfăşoară în mai puţini timpi. - Presiunea efectivă medie se poale ridică prin mărirea gradului de compresie, prin ridicarea coeficientului de umplere, îmbunătăţirea arderii şi micşorarea pierderilor prin frecare. - Creşterea cilindreei nu este recomandabilă deoarece duce la îngreunarea construcţiei, creşterea dimensiunilor motorului, consum ridicat de combustibil şi ulei etc. - Turaţia contribuie cel mai mult la ridicarea puterii unui motor. Totuşi ea este limitată de o serie de factori ca: creşterea forţelor de inerţie, scăderea coeficientului de umplere, scăderea randamentului mecanic etc. - Numărul de timpi în care se execută ciclul de funcţionare are influenţă asupra puterii motorului. Teoretic un motor în timpi este mai puternic de două ori faţă de un motor în 4 timpi, la aceleaşi dimensiuni constructive Consumul specific de combustibil şi randamentele motorului Aprecierea sub aspect economic a funcţionării motorului se exprimă prin consumul de combustibil pe unitatea de putere, adică pe un cal putere în timp de o oră şi prin randamentele motorului, care caracterizează pierderile termice şi mecanice. Sub acest aspect, deosebim consum specific indicat şi randament indicat, atunci când ne referim la puterea indicată a motorului şi consum specific efectiv 53

152 şi randamentul efectiv, atunci când ne referim la puterea efectivă a motorului. [,8,33,36] Consumul specific indicat, reprezintă raportul dintre consumul orar de combustibil faţă de puterea indicată a motorului. Ch c 000 g / CPoră 3.04 Pi în care: Ch este consumul de combustibil în kg/oră Randamentul indicat i reprezintă raportul dintre cantitatea de căldură transformată în lucru mecanic indicat faţă de întreaga cantitate de căldură consumată: 63 pi i 3.05 HiCh în care: 63= /47 este cantitatea de căldură echivalentă cu l cal putere oră; Hi - puterea calorică inferioară a combustibilului, în kcal/kg. Înlocuind valoarea consumului orar Ch prin consumul specific c atunci randamentul indicat se va exprima: i 3.06 H i gi din care se vede, că pe măsură ce consumul specific de combustibil este mai mic, cu atât creşte valoarea randamentului indicat. Valoarea randamentului indicat i variază între limitele: - pentru motoare cu carburator, i= 0,0-0,8 - pentru motoare Diesel, i=0,35-0,45 Analog, putem determina: Consumul specific efectiv, care reprezintă raportul dintre consumul orar de combustibil şi puterea efectivă dezvoltată de motor: Ch cef 000 g/cp oră efectivă (3.07) Pef Ţinând cont de faptul că: Pef P i m atunci: Ch 000 cef p i m şi deoarece: Ch 000 ci pi atunci: ci cef g/cp oră efectiv (3.08) m 54

153 Valorile consumului specific variază între limitele: - pentru motoare cu carburator pe benzina, cef=00-75g/cp oră ef - pentru motoare cu carburator pe petrol, cef = g/cp oră ef, - pentru motoare Diesel,ccf =75-5 g/cp oră ef. Randamentul efectiv ef sau randamentul economic caracterizează toate pierderile de căldură şi mecanice. El poate fi calculat după formula: 63 pef ef 3.09 ChH i sau: ef 3.0 cef Hi Deoarece raportul dintre puterea efectivă Pef şi puterea indicată Pi reprezintă randamentul mecanic m atunci înlocuind valorile puterilor Pi si Pef deduse din formulele 3.05 a randamentului indicat şi 3.09 a randamentului efectiv, obţinem: Pef ef m P i i de unde rezultă: 3. ef i m Deci, randamentul efectiv este egal cu produsul randamentelor indicat şi mecanic. Valorile randamentului efectiv variază între limitele: - pentru motoare cu carburator, ef = 0, - 0,7 - pentru motoare Diesel, ef = 0,8-0,36 Din formula 3. se vede că valoarea randamentului economic se poate ridica dacă avem randamentele indicat şi mecanic cât mai mari. Se ajunge către limitele superioare ale valorii randamentului economic prin creşterea raportului de compresie, micşorarea pierderilor termice şi îmbunătăţirea procesului de ardere, precum şi prin îmbunătăţirea construcţiei organelor motorului, fapt prin care se micşorează pierderile mecanice 55

154 4. Transmisii folosite în construcţia bazei energetice pentru agricultură 4. Transmisii prin roţi dinţate(angrenaje) În cadrul transmisiilor mecanice actuale, cele cu roţi dinţate au cea mai largă utilizare, asigurând construcţii compacte şi fiabile pentru întrega gamă de puteri ale utilajelor[9,,8,0,35]. Transmisiile cu roţi dinţate cuprind: reductoare; cutii de viteză; variatoare; transmisii complexe. Cea mai simplă transmisie cu roţi dinţate este formată din două roţi dinţate în angrenare şi este denumită angrenaj. După forma roţilor, se deosebesc următoarele tipuri de angrenaje: cilindrice (fig.4. a,b,c.); interioare (fig.4. d,e.); elicoidale (fig.4. f.); conice (fig.4. g,h,i.); hipoide (fig.4.j.); melcate (fig.4. k.); globoidale (fig.4.l.); cu cremalieră (fig.4. m.); cu roată plană (fig.4. n.): Fig.4.. Tipuri principale de angrenaje. 56

155 4. Reductoare de turaţie Reductoarele de turaţie cu roţi dinţate sunt mecanisme organizate ca ansambluri independente, cu raport de transmitere constant, realizate în carcase închise şi etanşe destinate reducerii turaţiei, concomitent cu amplificarea momentului de torsiune transmis, şi multiplicatoare de turaţie cu roţi dinţate, care realizează o creştere a turaţiei la ieşire.( 9,,8,0,35 ) Reductoarele de turaţie au în construcţie, în general, angrenaje cilindrice, conice şi melcate, montate în serie sau în serie-paralel, formând astfel treptele reductorului. În domeniul reductoarelor cu rapoarte mari de transmitere pe o singură treaptă, s-au dezvoltat construcţii având la bază angrenaje speciale: armonice, cu bolţuri sau cu galeţi. () Diversitatea de utilizări a dus la o mare varietate constructivă a reductoarelor şi la realizarea acestora într-o gamă largă de puteri, rapoarte de transmitere, diferite poziţii relative ale arborilor extremi, diferite poziţii de prindere pe maşina antrenată. La reductoarele de uz general sunt standardizate: rapoartele de transmitere (STAS 60-8); distanţele dintre axe la angrenaje (STAS ); înălţimea planului axelor de cuplare faţă de talpa de prindere (STAS 74/6); simbolizarea reductoarelor (STAS ); dimensiunile capetelor de arbori cilindrici şi conici [STAS 874/,,4-7,74], etc. La reductoarele cilindrice cu una, două sau trei trepte tipurile şi parametrii principali sunt precizaţi în STAS pentru tipurile C, C şi 3C, respectiv în STAS pentru tipurile RV, RV, 3RV caracteristice instalaţiilor de ridicat şi transportat. În STAS se prezintă tipurile şi parametrii principali la reductoarele cilindrice coaxiale, iar în STAS 9-80 motoreductoarele cu angrenaje cilindrice cu două şi trei trepte. Nivelul înalt de tehnicitate, corelat cu marea varietate şi realizarea lor economică a impus execuţia reductoarelor de turaţie în întreprinderi specializate, dotate cu utilaje moderne. Parametrii principali ai unui reductor sunt: tipul reductorului, puterea transmisă P, în [kw], turaţia la arborele motor n [rot/min] şi raportul de transmitere i [adimensional]. 57

156 Tabelul 0.4. Mecanisme planetare cu una şi cu două roţi centrate 58

157 4.3 Transmisii prin curele Fig.4.. Mecanisme planetare cu trei roţi centrale Transmisiile prin curele realizează transmiterea puterii de la roata motoare la una sau mai multe roţi conduse, prin intermediul unui element flexibil fără sfârşit. Transmiterea mişcării se poate realiza cu alunecare şi fără alunecare. [9,,8,0,35] Utilizarea transmisiilor prin curele în limitele parametrilor funcţionali, este economică, asigură un nivel redus al vibraţiilor şi implicit, o fiabilitate mărită în exploatare. Transmisiile prin curele prezintă unele dezavantaje, care constau în gabaritul lor relativ mare, iar în cazul transmisiilor cu fricţiune prin curele late şi trapezoidale, nu asigură un raport de transmitere constant datorită alunecărilor, ale căror valori sunt influenţate de variaţia coeficientului de frecare, depizând de condiţiile mediului ambiant. Tabelul 4. Domeniul de utilizare a transmisiilor prin curele Tipul curelei Puterea transmisă KW Viteza curelei m/s Utilizare normală Utilizare limitată Curele late foarte flexibile Curele late compound Curele 00 Clasice trapezoidale Înguste 50 Curele late dinţate

158 4.3. Transmisii prin curele late În funcţie de materialul din care sunt confecţionate curelele, se disting următoarele tipuri : Curele din piele, sunt confecţionate din piele de bovine într-un strat, două sau mai multe straturi, lipite între ele pe toată lungimea curelei, pe partea cărnoasă a acesteia. Flexibilitatea lor depinde de conţinutul de grăsime: foarte flexibile (7%), flexibile (4%), rezistente-standard (5%). Curele din ţesuturi, sunt confecţionate din textile naturale sau din fibre sintetice. Curelele din ţesături se pot confecţiona într-unul sau mai multe straturi, îmbinate pe toată lungimea prin coasere sau într-o textură specială, lipite iar în cazul curelelor cauciucate prin vulcanizare. Curele compound, realizate în mai multe straturi, oferă cumulat avantajele datorate proprietăţilor de rezistenţă ale materialelor plastice, precum şi a celor de fricţiune specifice curelelor din piele [6]. Performanţele foarte ridicate le recomandă numai pentru cazuri speciale de utilizare. Curelele compound sunt rezistente la produse petroliere, sunt flexibile, permit transmiterea puterii cu oscilaţii minime, sunt antielectrostatice, au o durabilitate mare şi sunt practic insensibile la umiditate. Curelele de acest tip având inserţie (folie de poliamidă) se execută la orice lungimi, cu lăţimi până la 00 mm şi se pot lungi, scurta sau repara. Curelele cu inserţie de şnur poliamidic se realizează numai fără fire, la lungimi de max mm şi lăţimi până la 500 mm Elemente constructive Îmbinarea curelelor late pot fi fără sfârşit sau îmbinate prin lipire, coasere sau vulcanizare sau cu elemente metalice. Lipirea cu adezivi sintetici asigură rezistenţe ridicate la tracţiune, realizându-se sub formă de pană, pe lungimi conform prevederilor STAS Îmbinarea curelelor cu elemente metalice, precum şi coaserea suprapusă, se utilizează - în special - în cazul curelelor din fibre textile ţesute, aceste îmbinări introducând şocuri şi vibraţii în transmisie, motiv pentru care viteza de funcţionare a acestora este mai mică de 0m/s. Roţile pentru transmisiile prin curele late, structura roţilor de curea diferă în funcţie de dimensiunile acestora, în special de valoarea diametrului exterior D şi de lăţimea b. În vederea asigurării stabilităţii în funcţionare a curelei, suprafaţa activă a roţilor de curea este prevăzută cu un bombament, a cărui valoare este reglementată în STAS

159 Pentru transmisiile cu axe paralele şi viteză mai mare de 50 m/s, ambele roţi sunt bombate, pentru transmisiile multiple nu se admit bombamente decât la roţile care acţionează pe aceeaşi parte a curelei, celelalte roţi, vor fi fără bombament. La transmisiile cu axe încrucişate, semiîncrucişate şi pentru viteze mai mici de 0 m/s, roţile de curea nu vor fi prevăzute cu bombamentă. Roţile de curea se execută din fontă de calitate sau din aliaje de aluminiu rezistente, iar pentru v>40 m/s din oţel turnat sau în construcţie sudată. Fig.4.3Îmbinarea curelelor late prin elemente metalice: a,b - cu agrafe, c,d - cu eclise cap la cap, e - cu eclise prin îndoire, cu şuruburi, f - prin îndoire, cu tiranţi. Sisteme de tensionare a transmisiilor prin curele late - tensionarea permanentă se face prin scurtarea curelei, respectiv prin mărirea distanţei dintre axe. Metodele au dezavantajul că necesită periodic controlul stării de tensionare şi luarea măsurilor necesare situării transmisiei în limitele condiţiilor iniţiale. Cauza acestor intervenţii este apariţia unor alungiri remanente, sub efectul sarcinii transmise şi stării de oboseală specifice materialului curelei. În vederea unei compensări permanente a acestor alungiri remanente şi totodată asigurării realizării permenente a performanţelor transmisiei prin curele, în condiţiile unei mai raţionale adaptări a acesteia în funcţie de variaţiile momentului rezistent, se utilizează sistemul de tensionare cu rolă acţionată prin greutate.[9,,8,0,35] Transmisii prin curele trapezoidale şi dublu trapezoidale Se disting o multitudine de tipuri în funcţie de forma geometrică a secţiunii şi performanţele funcţionale, (puterea transmisă, viteză periferică limită, flexibilitate etc.). [3] 6

160 Curelele trapezoidale clasice: Y, Z, A, B, C şi D, la care dimensiunile caracteristice sunt date în STAS 64/-7, iar condiţiile de calitate în STAS 64/-79. Curelele trapezoidale înguste: SPZ, SPA, SPB şi SPC, la care dimensiunile geometrice sunt conform STAS 79/-83. Aceste tipuri de curele conferă avantajul unei suprafeţe mărite de contact în canalul roţii, deci o mai mare rezistenţă la rupere, comparativ cu curelele clasice. Curelele trapezoidale speciale, la care forma concavă a flancurilor în stare liberă oferă avantajul unei aşezări corecte în funcţionare şi, implicit, o durabilitate superioară. În vederea evitării vibraţiilor datorită funcţionării în paralel a mai multor curele, precum şi a încărcărilor inegale ale acestora, s-au realizat curele concave multiple monolite, cu două, trei, patru sau cinci curele în paralel. Curelele dublu trapezoidale, asigură transmiterea mişcării în cazul transmisiilor cu mai multe roţi conduse dispuse pe ambele părţi ale curelei Transmisii prin lanţuri Transmisiile prin lanţuri sunt larg utilizate în construcţia de maşini prezentând, comparativ cu alte tipuri de transmisii, o serie de avantaje: arborii şi lagărele transmisiei cu lanţ suportă numai reacţiunile datorate cuplului transmis, lanţurile neimpunând o forţă de întindere la montaj, raportul constant de transmitere, realizarea unor distanţe dintre axe relativ mari, fără a necesita investiţii suplimentare ca în cazul transmisiilor prin roţi dinţate. [35] Principalele dezavantaje ale transmisiei prin lanţuri derivă din efectul poligonal datorat înfăşurării poligonale a zalelor pe periferia roţilor de lanţ. Ca urmare a acestui efect şi a şocului ciocnirii dinte-rolă, transmisia prin lanţ este mai puţin silenţioasă, permiţând o viteză periferică relativ mai mică. În plus, viteza de mişcare a lanţurilor, în special în cazul unui număr mic de dinţi ai roţilor, nu este riguros constantă, ceea ce produce o neuniformitate a turaţiei roţii conduse, chiar în cazul unei turaţii constante a roţii conductoare Transmisii cardanice 4.4. Arbori cardanici Prin transmisie cardanică se înţelege un ansamblul de organe de maşini (articulaţii arbori, cuplaje de siguranţă,amortizoare,paliere intermediare, etc) care constituie o unitate funcţianală independentă ce serveşte la transmiterea energiei mecanice la distanţă, prin mişcarea de rotaţie, fără amplificarea momentului de torsiune.[] 6

161 Arborele transmisiei cardanice constituie unul dintre elementele principale ale acestui mecanism, datorită rolului lui funcţional de a transmite la distanţă momente de răsucire şi uneori forţe axiale (fig.4.4). În general, arborele este format dintr-o piesă cilindrică şi piese auxiliare care servesc pentru prinderea articulaţiilor. Pe baza diferitelor criterii cinematice şi constructive sunt posibile diverse clasificări. Astfel, dacă transmisia cardanică nu permite compensări axiale, arborii vor avea lungimea constantă, iar în caz contrar, arborii vor avea lungimea variabilă. Fig Arbori cardanici tubulari. În figura 4.4 este prezentat un arbore cardanic tubular de lungime constantă în care furcile articulaţiilor sunt îmbinate prin sudură. Arborele reprezentat are diametrul mărit în partea centrală, ceea ce asigură mărirea turaţiei critice la încovoiere. Atunci când la turaţii mijlocii, sunt necesari arbori cardanici de lungime mare se utilizează una dintre variantele prezentate în figură. Arborele se execută secţionat pentru compensarea erorilor de montaj. Cele două părţi ale sale sunt apoi legate printr-un cuplaj permanent. Cu astfel de arbori se pot obţine, la montaj, compensări axiale până la 30 mm. În timpul funcţionării, lungimea arborelui rămâne constantă. Dacă în timpul funcţionării sunt necesare compensări axiale se utilizeză arbori telescopici. În acest caz îmbinarea dintre capătul unui arbore şi butucul furcii corespunzătoare se realizează, în general, prin caneluri. 63

162 În figura 4.5 sunt prezentaţi arbori telescopici a şi b, comform celor prezentate anterior. Fig Arbori telescopici şi arbori folosiţi în construcţia locomotivelor Diesel. Arborele cardanic întâlnit în construcţia locomotivelor Diesel (fig.4.5, este capabil să transmită momente de răsucire mari. Atunci când lungimea arborelui telescopic este mai mare şi sunt necesare compensări axiale mari acesta se poate executa din două bucăţi îmbinate prin sudură. În cazul în care arborii cardanici lucrează în medii cu impurităţi îmbinarea telescopică se realizează printr-un arbore profilat cu prevederea unor măsuri speciale de protecţie. 64

163 4.5. Ambreiajul principal 4.5. Rolul şi condiţiile impuse ambreiajelor Ambreiajul principal este un cuplaj cu rol de decuplare temporară şi cuplare progresivă a motorului cu transmisia, necesare în următoarele situaţii: pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin pornirea din loc a tractorului, regimul stabil de funcţionare fiind atins prin creşterea progresivă a sarcinilor din organele transmisiei; [9,,8,0]. oprirea temporară a tractorului cu motorul în funcţiune; schimbarea treptelor de viteze; demararea sau oprirea temporară cu motorul în funcţiune a maşinilor staţionare acţionate de priza de putere dependentă; limitarea valorii maxime a cuplului din organele transmisiei şi motorului în cazul când rezistenţele exterioare ce acţionează asupra tractorului cresc exagerat de mult. Ambreiajului principal i se pun condiţii specifice de funcţionare precum: siguranţă în transmiterea cuplului motor în orice condiţii de exploatare decuplarea rapidă şi completă, deoarece un cuplu remanent îngreunează schimbarea treptelor de viteze; construcţia simplă şi raţională astfel ca momentul de inerţie al părţilor conduse să fie minim uşurând schimbarea treptelor de viteze prin micşorarea şocurilor din danturi; echilibrarea dinamică şi lipsa forţelor laterale; evacuarea uşoară a căldurii de la suprafeţele elementelor de frecare pentru mărirea durabilităţii pieselor ambreiajului, exploatare şi întreţinere uşoare prin posibilitatea manevrării comode a montării şi demontării uşoare precum şi reglajele lor simple Procesul de demarare al tractorului Pentru a pune în mişcare tractorul, după pornirea motorului, se decuplează ambreiajul principal şi se cuplează treapta de viteze cu care se lucrează. Înainte de a cupla ambreiajul, mecanismul de reglare a debitului de combustibil se fixează în poziţia regimului de lucru. Debitul mărit de combustibil care intră în cilindri duce la creşterea rapidă a turaţiei motorului până la valoarea corespunzătoare mersului în gol şi se cuplează lin ambreiajul, motorul intrând progresiv în sarcină, permiţând regulatorului să crească debitul de combustibil. Tractorul porneşte din loc atunci când momentul de frecare al ambreiajului îl egalează pe cel rezistent, în care ambreiajul are patinare totală. Această perioadă este de ordinul fracţiunilor de secundă ajungând până la - 5 s, depizând de sarcină, lucrul mecanic de frecare fiind transformat în căldură. Prelungirea acestei 65

164 perioade conduce la deteriorarea ambreiajului prin supraîncălzire. Perioada prezentată se consideră a fi prima perioadă de demarare. Fig.4.6 Diagrama funcționării ambreiajului mecanic A doua perioadă de demarare se caracterizează prin patinarea parţială a ambreiajului, viteza unghiulară a elementelor conduse creşte permenent mărind treptat viteza de deplasare a tractorului. Turaţia arborelui cotit al motorului se reduce, datorită acţiunii de frânare a momentului de frecare al ambreiajului, de aceea energia cinetică a motorului trebuie să fie suficientă pentru ca motorul să nu se oprească. [9,,8,0,35]. Perioada a treia începe la timpul când patinarea ambreiajului încetează, vitezele unghiulare ale arborelui cotit al motorului devenind egale. Se egalează şi momentele corespunzătoare părţilor conduse şi ale celor conducătoare, momentul scăzând în continuare până la atingerea unei valori egale atunci când viteza tractorului se stabilizează Ambreiaje simple Ambreiajele simple realizează forţa de apăsare între suprafeţele de frecare cu ajutorul unor arcuri montate pe partea frontală a discului de presiune sau utilizând un arc central. [9,,8,0,35]. În figura 4.6,a reprezintă schema de principiu a ambreiajului monodisc. Partea conducătoare constituită din volantul, carcasa şi discul de presiune 3 este solidară la rotaţie cu arborele cotit al motorului. Între volant şi discul de presiune, ce se poate deplasa axial cu ajutorul buloanelor 4, se montează discul condus 0, fixat pe butucul la rândul sau montat liber pe arborele canelat 8 al ambreiajului. Pentru mărirea coeficientului de frecare, discul condus este prevăzut cu garnituri de fricţiune. Prin apăsarea realizată de arcurile 9 se creează un moment de frecare între suprafeţele aflate în contact încât cuplu motor de la volant se va transmite prin discul de fricţiune la arborele ambreiajului. 66

165 Decuplarea se realizează apăsând pedala 7 a mecanismului de decuplare prin deplasarea manşonului 6 care apasă pe pârghiile de decuplare articulate cu buloanele 4 ce retrag discul de presiune comprimând suplimentar arcurile. Fig.4.6. Scheme de ambreiaje simple normal cuplate: a - cu un singur disc, b - cu mai multe discuri. 4.6 Cutia de viteze 4.6. Rolul şi clasificarea cutiilor de viteze Rolul cutiilor de viteze. Cutia de viteze este necesară pentru: modificarea momentului de răsucire la roţile motoare, respectiv a vitezei de deplasare a tractorului adaptând astfel tractorul la condiţiile de lucru, obţinerea mersului înapoi al tractorului şi staţionarea îndelungată a tractorului cu motorul în funcţionare. [9,,8,0,35]. Fundamentarea teoretică a rolului cutiei de viteze este aceea de a asigura un număr suficient de trepte de viteză şi cu rapoarte de transmitere alese raţional trebuie să asigure funcţionarea tractorului cu o înaltă economicitate şi productivitate, într-o gamă de viteze dată. În afară de aceasta, cutiei de viteze i se impun următoarele condiţii: - construcţie simplă; - greutate şi gabarit reduse; - cuplare rapidă şi uşoară; 67

166 - fiabilitate şi mentenabilitate ridicată. Clasificarea cutiilor de viteze, se poate face după mai multe criterii: După felul modificării raportului de transmitere, cutiile de viteze se clasifică în următoarele categorii: - cutii de viteze în trepte; - cutii de viteze progresive; - cutii de viteze mixte, care prezintă o combinaţie a două din tipurile precedente(de exemplu cutiile hidromecanice). După felul acţionării, cutiile de viteze pot fi cu acţionare directă, semiautomată şi automată. La cutiile de viteze cu acţionare directă, schimbarea vitezelor se face direct de către utilizator cu ajutorul unor pârghii, folosindu-se de energia sa musculară. La cutiile de viteze cu acţionare semiautomată, o parte din operaţii sunt executate de tractorist, iar restul de mecanisme speciale care utilizează o parte din energia motorului, ceea ce simplifică şi uşurează într-o măsură însemnată efortul fizic al utilizatorului. La cutiile de viteze cu acţionare automată, toate operaţiile, privind acţionarea cutiei de viteze şi alegerea raportului de transmitere necesar, se fac fără participarea tractoristului Cutii de viteze în trepte, la care schimbarea treptelor este însoţită de întreruperea fluxului de putere În prezent, la majoritatea tractoarelor agricole şi la multe din tractoare industriale se folosesc cutii de viteze în trepte. Marea varietate a lucrărilor executate de tractoare a impus mărirea numărului de trepte la cutiile de viteze, noile modele de tractoare agricole fiind echipate cu cutii de viteze care asigură 8-6 trepte sau chiar mai multe. Clasificarea cutiilor de viteze în trepte poate fi făcută după mai multe criterii: După schema cinematică: cu axe de rotaţie fixe, cu axe mobile. După plasarea arborilor: cu arbori longitudinali sau transversali în raport cu axa longitudinală a tractorului. După modul de angrenare al roţilor: cu roţi baladoare, cu roţi cu angrenare permanentă. După numărul grupurilor de roţi dinţate baladoare: cu două, trei sau patru grupuri. După numărul treptelor de viteze pentru mersul înainte şi pentru mersul înapoi. Numărul treptelor de viteze de mers înapoi este mai mic în comparaţie cu numărul treptelor de mers înainte, însă la cutiile de viteze cu inversor numărul treptelor de mers înainte poate fi egal cu numărul treptelor de mers înapoi. După modul de obţinere a mersului înapoi: cu una sau cu două roţi intermediare, cu inversor. După modul de cuplare a treptelor: schimbarea treptelor este însoţită de oprirea tractorului, cuplarea treptelor făcându-se cu ajutorul roţilor baladoare sau a mufelor de cuplare,schimbarea treptelor se face fără întreruperea fluxului de 68

167 putere cu ajutorul ambreiajelor de fricţiune şi uneori al frânelor. Cutia de viteze cu doi arbori, se compune din arborele primar şi secundar, care transmite momentul la transmisia centrală. Diferitele trepte de viteze se obţin prin cuplarea roţilor deplasabile de pe arborele secundar cu roţile corespunzătoare de pe arborele primar. Cutia de viteze realizează (5+) trepte de viteze: cinci pentru mersul înainte şi una pentru mersul înapoi. Raportul maxim de transmitere al acestor cutii de viteze este icv < 3 iar la treptele folosite rar icv < 3-4. Cu ajutorul acestor cutii de viteze este greu de obţinut un număr mai mare de 4 sau 5 trepte de viteze, întrucât trebuie mărită lungimea arborilor, iar pentru a păstra rigiditatea trebuie mărit şi diametrul lor. Fig Scheme cinematice de cutii de viteze în trepte: a,b - cu doi arbori, c - cu trei arbori, cu priză directă, d - cu trei arbori, fără priză directă, - arbore primar, - arbore secundar, 3 - arbore intermediar, 4 osie pentru mers înapoi, 5 - roată baladoare pentru mers înapoi,6 - angrenaj permanent, 7 - roată baladoare. Cutiile de viteze cu trei arbori au, în afară de arborele primar şi secundar, un al treilea arbore - arborele intermediar 3. Acesta se află în legătură permanentă cu arborele primar prin angrenajul 6. Aceste cutii de viteze pot fi cu priză directă şi fără priză directă. Cele cu priză directă au arborele primar şi pe cel secundar aşezaţi 69