1. OBJE OBJETI TIVO VO GENE GENERA RAL L Estudio de las características de diseño y fabricación del bulón del pistón para automóviles.
1.1. 1.1. OBJE OBJETI TIVO VO ESPE ESPECI CIFI FICO CO - Conoc Conocer er el fun funci cion onam amie ient nto o del bul bulón ón del del pist pistón ón - Analiz Analizar ar pará parámet metros ros de dise diseño ño y fabrica fabricació ción n del del buló bulón n - Anal Analiz izar ar los los dif difer eren ente tess tip tipos os de de bulo bulones nes - Estudi Estudio o el tipo tipo de de mater material ial de cons constru trucci cción ón del del buló bulón n 2. INTR INTROD ODUC UCCI CIÓN ÓN Un bulón también conocido como un pasador es un perno de acero endurecido !ue conect conecta a el pistón de un motor motor al pie de su biela. biela. El bulón bulón en sí mismo es "ueco para reducir el peso y se mantiene en su lu#ar con una serie de métodos diferentes. $a mayoría de los fabricantes diseñan al bulón en base a un a%uste muy pe!ueño presionado con el orificio del embolo. &ero en motores modernos los pistones son de alto rendimiento suelen usar "or!uillas o clips de aluminio de retención para mantener al bulón en el orificio del pistón. Un bulón es una de las partes más importantes y sacrificadas del motor ya !ue es el encar#ado directo de soportar las fuerzas #eneradas por la combustión en el moto motorr por por lo !ue !ue su fabr fabric icaci ación ón está está direc directa tamen mente te enfo enfoca cada da a su durez dureza a y tenacidad para soportar y evitar el !uiebre o deformación del bulón. Aparate de soportar las fuerzas provocadas por la combustión debe evitar el des#a des#ast ste e de rozam rozamie ient nto o ya !ue el orif orific icio io de la cabe cabeza za de biel biela a e%erc e%erce e un movimiento rotativo a su alrededor por lo !ue la lubricación en este punto %ue#a un papel muy importante.
3. FUNDA FUNDAMEN MENTO TO TEORI TEORICO CO 3.1. FUNCIONAMIENTO DEL BULON $a unión de la biela con el pistón se la realiza a través de un pasador también llamado llamado bulón el cual permite permite la articulació articulación n de la biela y soporta los esfuerzos al !ue está sometido. 'ebe tener una estructura robusta y a las ves li#eras para eliminar el peso.
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$os bulones se fabrican #eneralmente "uecos en acero de cementación. El diámetro e(terior del embolo es apro(imadamente el )*+ del diámetro del embolo. $as condiciones !ue debe cumplir el bulón dependen muc"o del traba%o !ue este tiene !ue soportar por lo !ue e(isten diferentes tipos de bulones para diferentes pistones en diferentes circunstancias de traba%o y estos dependen también del tipo de monta%e en el pistón ! dependen de la forma de la unión de la biela con el embolo y se distin#uen en cuatro tipos de monta%e
3.1.1. BULON FIJO AL EMBOLO En esta forma de monta%e el bulón !ueda unido al embolo atreves de un tornillo pasador o c"aveta mediante los cuales se ase#ura la se ase#ura la inmovilización del bulón. $a unión bulón , biela se realiza por medio de un co%inete de antifricción.
FIGURA 1. Disposició !"# $%#ó " "# pis&ó
3.1.2. BULON FIJO A LA BIELA En este tipo de monta%e la biela se fi%a al bulón a través de un tornillo de cierre. En este caso el bulón #ira sobre su alo%amiento en el embolo.
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FIGURA 2. Disposició !"# "'$o#o ( pis&ó ) $i"#*
3.1.3. BULON FLOTANTE En este sistema el bulón !ueda libre tanto de la biela como del embolo. Es el sistema más empleado en la actualidad pues además de un fácil monta%e tiene la venta%a de repartir las car#as de rozamiento entre ambos elementos $a unión con la biela se realiza a través de un co%inete antifricción. El bulón se monta en el embolo en frio con una li#era presión de forma ! al dilatarse !ueda libre. &ara mantener al bulón en su posición de monta%e y evitar !ue pueda desplazarse lateralmente en unas ranuras practicadas sobre el alo%amiento del embolo se monta unos anillos elásticos cuyas medidas están normalizadas
3.1.+. BULON DESPLA,ADO En motores !ue soportan #randes esfuerzos laterales se suele montar el bulón en el embolo li#eramente desplazado "acia el lado sometido a mayor presión con el fin e!uilibrar los esfuerzos laterales y mantener alineado al embolo en su desplazamiento. Con este sistema se reduce el des#ate en esa zona del cilindro. El rozamiento del pistón con el cilindro no es todo lo re#ular !ue podría desearse y así ocurre !ue en la carrera de e(plosión el esfuerzo i#ura inferior/ transmitido al pistón no pasa en su totalidad a la biela si no !ue se descompone en las fuerzas A y 0 como se aprecia en la fi#ura resultando !ue una #ran parte se pierde en el frotamiento del pistón con la pared del cilindro. 1emos por tanto !ue el pistón está sometido a un empu%e lateral !ue produce un rozamiento lateral contra la pared del cilindro lo !ue provoca un mayor des#ate en esta zona. En las carreras 3
ascendentes la biela empu%a al pistón "aciendo !ue este suba y se manifieste una fuerza C !ue se descompone actuando una fuerza ' en el sentido vertical ascendente !ue "ace subir el pistón y otra fuerza E !ue aplica al pistón contra la pared. El rozamiento por tanto es mayor cuando el pistón desciende empu%ado por la e(plosión y es menor cuando el pistón asciende empu%ado solamente por la inercia del ci#2eñal.
FIGURA 3. F%"-*s /%" *c&0* so$-" "# pis&ó #* p*-"! !"# ci#i!-o
3odas estas fuerzas manifestadas totalmente en el centro en la unión del pistón con la biela ósea sobre el bulón.
3.2. PROCEDIMIENTO DE FIJACION DEL BULON &ara evitar el desplazamiento a(ial del bulón flotante se emplean diversos procedimientos de fi%ación. 4i el bulón se fi%a por medio de un anillo se debilita su sección de peli#ro por lo !ue es preferible fi%arlo con dos clips en los tetones del émbolo. En una serie de motores en los orificios de los tetones del émbolo se colocan tapones de acero laminado y clips. En al#unos casos la fi%ación del bulón se "ace con tapones pastillas/ de aluminio o de latón de este modo se aumenta un poco la ri#idez del bulón y me%ora la e(tracción del calor. $as formas estructurales de los bulones son muy variadas fi#/. $os más simples son los bulones en forma de tubo *. $os bulones con superficies interiores cónicas tienen la forma de barras de resistencia constante a la fle(ión por lo !ue la masa del bulón disminuye. En la * $ c y ! se visualizan los bulones flotantes además del bulón su%eto al pie de la biela ".
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FIGURA +. Fo-'*s cos&-%c&i*s !" #os $%#o"s
3.3. FABRICACIÓN &ara conse#uir unas condiciones normales de funcionamiento del bulón su estructura debe satisfacer las condiciones si#uientes5 &oca masa mínima deformación durante el traba%o buena resistencia a las car#as de c"o!ue y #ran resistencia al des#ate y a las car#as variables. El bulón se "ace de forma cilíndrica "ueca. El material para los bulones debe poseer suficiente solides y resistencia al des#aste. Como material para los bulones se utiliza5 Acero )6 de refinación selectiva7 acero )68A templando después el bulón "asta 9-9.6 mm de profundidad7 y acero 968 y 96 cementándolo lue#o en una profundidad de *.6 a 9.6 mm y templándolo en el mismo espesor. $os bulones cementados también se fabrican de aceros al cromo o cromo ni!uel 968 968A 9:8;
A. $a profundidad de cementación de la superficie cilíndrica e(terna del bulon alcanza *.= , 9.: m siendo el #rosor de la pared "asta de 6mm y 9.* , 9.?mm para el #rosor de la pared mayor de 6 mm y lue#o se someten al temple. El tratamiento térmico de los bulones debe ase#urar una dureza de la superficie de traba%o de ;@C 6= , 6 con una dureza del nBcleo no inferior a ;@C <: , )* los bulones para los motores muy car#ados se "acen de aceros de aleación comentables y otros. Un aumento considerable de la resistencia del bulón teniendo en cuenta el carácter de fati#a de sus fracturas/ se lo#ra sometiendo sus dos superficies a tratamiento termo!uímico y pulimentándolas después. 5
$os ensayos de los bulones a la fati#a "an demostrado !ue la nitruración bilateral aumenta su resistencia en <6 a )* + y cementación bilateral como en un 96 a :*+. $a presencia de rayas en la superficie rectificada disminuye dos veces su resistencia a la fati#a.
3.3. DISEO DE CONSTRUCCION En los motores modernos fundamentalmente se emplean bulones flotantes como se muestra en la fi#ura inferior.
Fi4%-* 5. C*-*c&"-6s&ic*s !" !i'"sio"s !" % $%#ó " co7%&o co "# pis&ó
$os bulones fi%ados en el pie de la biela tienen aplicación limitada. El diámetro del bulon influyo visiblemente sobre la altura del embolo su masa asi como sobre las dimensiones y la masa del pie de la biela. Al ele#ir los diámetros interior y e(terior del bulonse debe partir de las tensiones tolerables de fle(ion y de corte asi como de las tenciones y deformaciones del bulon !ue aparecen durante su ovalizacion. $as superficies de articulación del bulon con los tetones y los co%ineters del pie de la biela se comprueban a la presión convencional !ue influye en el aplastamiento de la película de lubricación y del des#aste de estas superficies. $as tenciones anteriormente señaladas las deformaciones y presión convencional dependen de los diámetros interior di y e(terior de del bulon de la relación entre ellos * D dide de la lar#ura del bulo lb de la lon#itud de los soportes en el pie de la biela n y en los tetones del piston lb , b* de la distancia entre los bordes de los tetones b* de 6
la ri#idez de estos del pie de la biela y las "ol#uras en los acoplamientos del bulon. $as destrucciones del bulón ori#inadas mayor mente por las tenciones !ue sur#en durante su ovalizacion fle(ión y corte tienen forma de rotura por fati#a. $a rotura del bulón comienza #eneralmente por la superficie interna en el cual aparecen micro fisuras lon#itudinales. 4iendo cíclicas las car#as las fisuras forman una #rieta !ue se a"onda pro#resivamente y da ori#en a la rotura por fati#a del bulón. 'urante el diseño se eli#en en una primera apro(imación las dimensiones del bulón atendiéndose a los datos estadísticos y después se "ace un cálculo de comprobación. En la si#uiente tabla fi#uran las dimensiones estructurales relativas de los bulones. TABLA 1. Dimensiones relativas de los bulones
$os a%ustes de presión y las "ol#uras relativas en la unión del bulón con el embolo vienen e(puestos en la tabla inferior TABLA 2. Holgura y ajuste de presión relativos entre el bulón y el piston
El bulón se calcula a base de la fuerza !ue aparece durante el funcionamiento del motor en el ré#imen del má(imo tor!ue cuando la presión de los #ases en el 7
cilindro es la má(ima. $as fuerzas de inercia del pistón !ue en el &>4 están diri#idas desde el e%e del ci#2eñal y descar#an en el bulón en los cálculos para el ré#imen del má(imo par motor no se consideran. 4in embar#o en los cálculos de comprobación para el ré#imen nominal de velocidad cuando las fuerzas de inercia alcanzan una ma#nitud considerable especialmente en los motores de carburador/ estas deben tenerse en cuenta $os bulones e(perimentan car#as cíclicas no obstante ya !ue los de tipo flotante pueden #irar alrededor de su e%e para ellos el factor de se#uridad no se determina. $a presión convencional por unidad de área al proyectar la superficie de apoyo en los tetones del pistón constituye5
F9G En el cas!uillo del pie de la biela
F:G 'onde &i es la fuerza de inercia del #rupo del pistón7 &iD -> pH: @ 9IJ/7 *.? un coeficiente !ue tiene en cuenta la masa del bulon. &ara los motores de ve"ículos !t D :* - )* >&a y !b D :6 , * >&a. $os límites superiores se refieren a los motores diesel rápidos. $a tención de fle(ión del bulón5
F&a. $a fórmula e(puesta se a deducido para el caso cuando la distribución de la car#a a lo lar#o del bulo es tal como se representa en el dia#rama de la anterior fi#ura en este caso las deformaciones calculadas coinciden en alto #rado con las medidas por tensometria. 8
$a forma del dia#rama de solicitación de los tetones se determina por el tipo de ancla%e del bulón así como de las "ol#uras en las articulaciones. $as roturas debidas a las tensionas por fle(ión se observan con más frecuencia en los bulones #ruesos. $as mismas tenciones tan#enciales por corte de bulón sur#en en las secciones L1 entre los tetones y el pie de la biela. $a má(ima tensión por corte en el plano neutral es5
F)G $as tenciones tan#enciales admisibles M no deben acceder de =* , 9:* >&a. En caso de !ue el bulón este ovalado se determinan las tenciones en los planos verticales y "orizontales !ue aparecen en la superficies e(terna o interna del bulón así mismo su deformación diametral en el plano "orizontal. Al deducir las ecuaciones se recurre al problema plano y se adoptan la distribución de la car#a por la superficie del bulón como muestra la LNU@A 6. El cálculo del bulón se realiza aplicando las fórmulas de una vi#a con pe!ueño radio de curvatura. $a deformación diametral para la ovalizacion de la parte media del bulón
F6G 'onde O es un coeficiente corrección !ue tiene en cuenta la influencia de la ri#idez del bulón y depende de la relación * Ddide7 O D 9.6 . . . 96/ * , *.)/ < E es el módulo de elasticidad del material del bulón. El coeficiente P se "a introducido en la formula después de comparar las deformaciones diametrales calculadas con las !ue se "an medido. $a deformación diametral no debe ser mayor !ue la mitad de la "ol#ura diametral entre el bulón y el cas!uillo del pie de la biela. $as tenciones !ue sur#en en caso de ovalizacion del bulón se calcula recurriendo a las si#uientes formulas5
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Fi4%-* 8. Dis&-i$%cio cosiosoi!*# !" #* c*-4* p*-* c*#c%#*- "# $%#o cosi!"-*!o s% o*#i*cio.
En el plano "orizontal en las superficies e(ternas e internas respectivamente.
FG 'onde
F?G En el plano vertical de la superficie e(terna e interna respectivamente5
F=G 'onde C< D *.9?)PQ 9 I *.<P:/ y C) D *.9?) PQ 9 -*.< P:. $os dia#ramas de las tenciones y las superficies internas y e(ternas se muestran en la si#uiente fi#ura
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Fi4%-* 9. Di*4-*'* !" #*s &"sio"s " "# $%#ó
&ara facilitar los cálculos en la fi#ura anterior vienen representadas las curvas de variación de los coeficientes P9 C9 , C) en función de la relación * Ddide. $as má(imas tenciones de compresión Kt !ue aparecen en la superficie interna en el plano "orizontal no deberán e(ceder de <** >&a
+. CONCLUSIONES -
4e realizó la investi#ación del diseño de un bulón de pistón y se pudo determinar las ecuaciones de diseño para dic"a pieza asimismo se analizaron los dia#ramas de tensiones. Un material con un tratamiento térmico adecuado importante ya !ue este aportara en sus propiedades físicas del material.
5. BIBLIOGR:FICA -
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