Mecanism bielă-manivelă

Exemplu de transmisie a mișcării prin intermediul bielei-manivelă: motor endoterm

În mecanică , tracțiunea rotativă a manivelei, cunoscută în mod obișnuit ca mecanism de bielă - manivelă , este un sistem pentru transformarea mișcării rectilinii alternativ în circular și invers.

Compoziție și tipologie

Acest mecanism constă din trei elemente:

Manivela este conectată cu o articulație de rotație (arborele cotit) la cadru și la capul bielei
Biella este conectată la manivelă și știftul pistonului
Cruce sau piulița culisantă este elementul care împiedică transmiterea forțelor laterale către piston, glisând biela de-a lungul unei linii drepte; care conectează tija de legătură la piston, determinând pistonul să fie supus doar forțelor de-a lungul axei glisante

Alternativ, capătul mic poate fi pus direct în legătură cu pistonul, fără a folosi capul transversal, de fapt acesta este cazul clasic al aplicării mai mari a mecanismului.

În plus, în funcție de modul în care este dispus, axa de alunecare a pistonului mecanismului manivelei poate fi: ^[1]

Centrat sau axa pe care glisează pistonul intersectează axa arborelui de antrenare.
Decentrat sau oblic când această axă nu intersectează axa motorului, ci este deplasată înainte sau înapoi.

Avantajele și dezavantajele mecanismului glisant

Cu acest sistem aveți avantajul:

Mai puțin spațiu, glisorul este un element care necesită scaunul glisant și care mărește dimensiunea mecanismului.
Greutate mai mică, necesită mai puține piese și fiind cele utilizate mai mici, are un sistem mai ușor.

Cu acest sistem există un dezavantaj:

Ovalizarea scaunului pistonului , acest fenomen este important mai ales în motoarele termice sau în sistemele în care este necesară tratarea unui fluid, unde se caută cea mai mare etanșare posibilă a pistonului și cea mai bună fiabilitate în timp, dar este irelevant în mașini în care acest mecanism servește doar pentru transformarea unei mișcări de la rotativ la liniar, cum ar fi cele ale întrerupătoarelor.

Caracteristici

Lungimea mișcării rectilinii C (vezi figura), adică cursa pistonului, este de două ori lungimea manivelei (raza de rotație) M.

Comparație directă între două diagrame de funcționare ale sistemului bielă-manivelă, în partea de sus a tipului simetric cu glisor / traversă, în partea de jos a tipului oblic, numărul 1 indică PMI, în timp ce numărul 2 indică TDC

După cum se poate vedea în partea de sus a figurii, unde sunt reprezentate creșteri constante ale arcului de rotație al manivelei, deplasările capătului mare nu sunt proporționale cu arcul parcurs de picior; relația este sinusoidală, de fapt, dacă numim B lungimea bielei, C cursa piciorului bielei, unghiul α de manivelă și β unghiul pe care biela îl formează cu axa cilindrului, este

\;\ C=M+B-(M\cos \alpha +B\cos \beta )=M(1-\cos \alpha )+B(1-\cos \beta )

{\ displaystyle \; \ C = M + B- (M \ cos \ alpha + B \ cos \ beta) = M (1- \ cos \ alpha) + B (1- \ cos \ beta)}

{\ displaystyle \; \ C = M + B- (M \ cos \ alpha + B \ cos \ beta) = M (1- \ cos \ alpha) + B (1- \ cos \ beta)}

unde β depinde de unghiul α al manivelei:

\;\ M\mathrm {sen} \alpha =B\mathrm {sen} \beta

{\ displaystyle \; \ M \ mathrm {sen} \ alpha = B \ mathrm {sen} \ beta}

{\ displaystyle \; \ M \ mathrm {sen} \ alpha = B \ mathrm {sen} \ beta}

prin urmare

\mathrm {sen} \beta ={\frac {M}{B}}\mathrm {sen} \alpha

{\ displaystyle \ mathrm {sen} \ beta = {\ frac {M} {B}} \ mathrm {sen} \ alpha}

{\ displaystyle \ mathrm {sen} \ beta = {\ frac {M} {B}} \ mathrm {sen} \ alpha}

În general, relația dintre raza manivelei și lungimea bielei este indicată cu:

\lambda ={\frac {M}{B}}

{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {M} {B}}}

{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {M} {B}}}

și apoi, prin formulele de trigonometrie :

\cos \beta ={\sqrt {1-\mathrm {sen} ^{2}\beta }}={\sqrt {1-\lambda ^{2}\mathrm {sen} ^{2}\alpha }}

{\ displaystyle \ cos \ beta = {\ sqrt {1- \ mathrm {sen} ^ {2} \ beta}} = {\ sqrt {1- \ lambda ^ {2} \ mathrm {sen} ^ {2} \ alfa}}}

{\ displaystyle \ cos \ beta = {\ sqrt {1- \ mathrm {sen} ^ {2} \ beta}} = {\ sqrt {1- \ lambda ^ {2} \ mathrm {sen} ^ {2} \ alfa}}}

și în cele din urmă, înlocuind expresia anterioară a lui C, ești obținut prin legea deplasării pistonului comparativ cu unghiul manivelei:

\;\ C=M(1-\cos \alpha )+B(1-{\sqrt {1-\lambda ^{2}\mathrm {sen} ^{2}\alpha }})

{\ displaystyle \; \ C = M (1- \ cos \ alpha) + B (1 - {\ sqrt {1- \ lambda ^ {2} \ mathrm {sen} ^ {2} \ alpha}})}

{\ displaystyle \; \ C = M (1- \ cos \ alpha) + B (1 - {\ sqrt {1- \ lambda ^ {2} \ mathrm {sen} ^ {2} \ alpha}})}

Pe de altă parte, modelul traseului este identic atât în mișcarea de întoarcere înainte, spre deosebire de exemplu, de la sistemul glif rectiliniu sau oblic bielă-manivelă.

În partea de jos a imaginii este posibil să se vadă reprezentarea unui sistem oblic bielă-manivelă, unde poziția punctelor moarte nu este echidistantă, precum și înclinarea bielei, aceasta permite reducerea presiunii laterale și în consecință fricțiunea pe o fază (în general cea a coborârii) în detrimentul celeilalte (în general cea a ascensiunii).

Utilizare

Foreza

Este utilizat pe scară largă în numeroase elemente mecanice, unde cele mai frecvente sunt:

Motoare la pistoane alternative ( endoterme sau nu), de utilizare foarte largă în domeniul auto și motociclete
Sisteme de închidere pentru prese de turnare
Masini-unelte precum ciocane sau scalcinatori

Cazuri limită

Folosind tije de legătură relativ scurte există o deplasare a vitezei maxime către TDC, cu o reducere a vitezei în apropierea PMI, în timp ce viteza medie rămâne aceeași, fiind absurdă este posibilă utilizarea unei biele cu o lungime egală cu jumătate cursa arborelui cotit (deci egală cu manivela), care dă o viteză egală cu zero de la 90 ° după TDC până la 90 ° după PMI, cu o tranziție bruscă de la viteza zero la viteza maximă.

Sisteme similare

De-a lungul timpului, sistemul bielă-manivelă a prezentat unele variații, cum ar fi ciclul Atkinson sau alte sisteme care modifică viteza pistonului în funcție de faza de funcționare a motorului ^[2] sau care derivă din sistemul Atkinson, cum ar fi ExLink sistem (Motor de legătură de expansiune extinsă) ^[3]

Alte sisteme asigură utilizarea a două arbori cotiți contrarotați și a două tije de legătură per piston, creând efectiv un mecanism dublu manivel oblic, în care pistonul fiind legat de două tije de legătură care au o înclinație speculară, reduc dacă nu anula forțele laterale care împingeți pistonul împotriva căptușelii cilindrului, reducând fricțiunea și reducând uzura pistonului și a cilindrului, aceste două tije de legătură sunt conectate la doi arbori cotiți respectivi, care fiind contrarotați sunt, de asemenea, capabili să îndeplinească funcția de arbore de echilibrare, anulând efectiv vibrații de ordinul întâi. ^{[ Toate rescrise: modificările subiectului și / sau ale tonurilor subiectului îl fac de neînțeles pentru cei care nu cunosc deja subiectul. ]}

Alte variante implică utilizarea unei tije de legătură "Y" pentru 4 pistoane, datorită utilizării a două brațe basculante și a 8 tije de legătură, acest lucru este posibil datorită tijei de legătură principale "Y" care deplasează cei doi pistoane centrale, care sunt conectate prin intermediul unor tije de legătură la cele două brațe basculante legate de cilindri sau bază și prin intermediul ultimelor biele acestea sunt conectate la pistoanele celor doi cilindri laterali.