OPTIMO DISEÑO DE UNA BIEL BIELA A PARA UN ALTO REDIMIENTO
Relación de compresión Angulo de máxima carga Fuerza ejercida por la combustión Restricciones del movimiento de la Biela
Juan Carlos Avilán Forero 30 de mayo del 2008 Fundación universidad América
Esfuerzo Máximo Criterio de von Mises Esfuerzo normal Factor de seguridad
RESUMEN El objetivó de este articulo es analizar las cargas a las que se somete una biela de un moto mo torr de alto alto rend rendim imie ient ntoo y obse observ rvar ar su compo comport rtam amie ient nto. o. Se dise diseña ñara ra las las biel bielas as utilizando medidas reales y se modelaran en el program programaa SO SOLID LID EDGE EDGE program programaa ti tipo po CAD. De acuerdo a las fuerzas que se somete la biela se utilizara el programa ALGOR que utiliza el análisis tipo FEA para analizar el comportamiento. La idea es analizar dos de las tres secciones transversales que existen en los diseños de bielas para identificar cual es el más apropiado para las altas exigencias de un motor de alto rendimiento.
PALABRAS CLAVES CLAVES
Desplazamientos
ABSTRACT The purpose of this article is to analyze two connecting rods for a racing engine. It exist tree types of beams for connecting rods, but for this article only two beams are going to be analyze, H and I. To do the analysis first we create the connecting in a CAD program for this case SOLID EDGE, then we calculate the way a rod works and what forces act on it, but having in mind that this rod is going to be in a raci racing ng engi engine ne whic whichh have have high higher er stre stress ss demands that in a normal engine. Finally with a FEA program for this case ALGOR we simulate how the rod behaves with the forces that are applied to it.
Biela Forjado
KEY WORDS
Maquinado
Connecting Rod
Sección transversal H
Forged
Sección transversal I
Billet
Acero AISI 4340
H beam
Presiones
I beam
Steel AISI 4340 Pressure Compression Ratio Maximum Load angle Combustion forces Rod movement restrictions Maximum Stress Von Mises yield criterion Safety Factor Displacements
INTRODUCCION En el deporte automotor todos los componentes del carro son llevados al límite par paraa saca sacarr sus sus máxim áximas as pres presta taci cion ones es y obtener el mejor desempeño en la pista. Para este articulo hablaremos exclusivamente de la planta de poder “el motor”. Los motores que se utilizan para impulsar los carros provienen en su mayoría de los carros de producción por este este mot motivo ivo sus compo componen nentes tes intern internos os no están diseñados para ser exigidos 2 a 5 veces sus capacidades originales, por este motivo cuando se modifica un motor se aplican dos factores importantes: 1 reducción de peso, 2 mejor diseño. La reducción de peso asegura una obtención de mayor potencia y menor masa inercial que implica menor esfuerzos, el mejor diseño nos asegura seguridad de que podemos llevar al máximo las prestaciones del conjunto sin que este falle. Uno de los componentes internos del motor que principalmente se cambian son las bielas. El incremento de poder que se genera en el motor puede provenir de un cambio en la relaci relación ón de compre compresió sión, n, aument aumentoo de masa masa
aire aire/g /gas asol olin ina, a, aume aument ntoo de revo revolu luci cion ones es,, aditivos especiales, combustible con mayor energía explosiva, etc. Cualquiera que sea el método la biela es expuesta a este incremento de poder no directamente puesto que el pistón es el que recibe la fuerza explosiva pero es la bie biela la qui quien rec recibe ibe esta sta fuer fuerza za y est esta encarg encargada ada de transm transmiti itirl rlaa al cigüe cigüeñal ñal.. La posición en la cual recibe la fuerza es crítica debido a que forma un ángulo en el cual la fuer fuerza za no actú actúaa en una una sola sola dire direcc cció iónn se puede descompone en los 3 ejes coordenados. Por este motivo a través del tiempo se han diseñado diseñado diferentes diferentes perfiles perfiles estructura estructurales les o secc seccio ione ness tran transv sver ersa sale less para para supl suplir ir esta estass necesidades y darle una seguridad interna al mecanismo. La industria Automotriz a puesto en la mayoría de sus diseños de motor el per perfi fill I en sus sus biel bielas as,, pero pero la el depo deport rtee automotor en búsqueda de un mejor rend rendim imie ient ntoo y mayor ayor segu seguri rida dadd en sus sus componentes a diseñado perfiles en H y +. No obstante no se ha establecido claramente que tipo de perfil puede ser el ideal para un motor mot or de competenci competencias. as. Por este este motivo motivo en este articulo se modelara una biela con perfil H y otra con perfil I, para ambas se utilizara el mismo material y fuerzas a las que se somete y así observar cual puede resistir más y por ende ser ideal para los motores de alto rendimiento.
MARCO TEORICO Biela:
La biela es una pieza interna de un motor de combustión interna. Su función es conectar el Pistón al cigüeñal, se diseñan con una forma espe especí cífi fica ca para para cone conect ctar arse se entr entree las las dos dos piezas. Su sección transversal o perfil puede tener forma forma de H, I o +. El material material del que que están están hechas es es de una aleación aleación de acero acero o Tit itan anio io o Alum Alumin inio io.. En la indu indust stri riaa auto autom motor otor toda todass son son prod roducid ucidas as por
forjam forjamien iento, to, pero pero alguno algunoss fabric fabricant antes es de piezas las hacen mediante maquinado.
Porcentaje de alargamiento
22%
Secciones transversales :
Reducción de Área
50%
Las bielas se diseñan con un perfil estructural tipo I, H y +. El perfil mas utilizado es el tipo I.
Modulo de elasticidad
205 GPa
Modulo de Volumen
140 GPa
Acero AISI 4340 :
Relación de Poisson
0.29
Acero de baja aleación y medio carbono.
Modulo de corte
80 GPa
Porcentaje en peso C
0.37-0.43
Especificaciones del motor
Cr
0.7-0.9
B18C1
Fe
96
No. Cilindros
Mn
0.7
Cilindrada
Mo
0.2-0.3
Diámetro y carrera
Ni
1.83
P
Max 0.035
Relación de compresión
S
Max 0.04
Potencia
Si
0.23
4 1800 cc 80 x 89 mm 11.3 178 Hp @ 8200 rpm
Biela tipo H
Propiedades físicas Densidad
7.85 g/cc
Propiedades Mecánicas Dureza
95 Rockwell B
Esfuerzo de tensión (Máximo)
745 MPa
Esfuerzo de tensión (Admisible)
470 MPa
Diámetro mayor
49 mm
Diámetro menor
19 mm
Dist Distan anci ciaa entr entree cent centro ross 130 130 mm mm Área Área min. min. transversal
Secció Secciónn 187.46 mm2
Un motor
Biela tipo I
Diámetro mayor
49 mm
Diámetro menor
21 mm
Dist Distan anci ciaa entr entree cent centro ross 130 130 mm mm Área Área min. min. transversal
Secció Secciónn 118.148 mm2
Análisis del mecanismo
Com Como se pued uede ver ver en el diagra agram ma el mecan ecaniismo smo intern ternoo de un moto otor esta esta compuesto por 4 elementos. 1 el bloque, que es la tier tierra ra.. 2 el cigü cigüeñ eñal al que que ti tien enee un movimiento de rotación. 3 la biela, que tiene un mo movim vimie ient ntoo de tras trasla laci ción ón en la part partee superior y rotación en la parte inferior. 4 el pistón que tiene traslación.
tiene 4 tiemp empos imp importantes 1 Admisión 2 Compresión 3 Explosión 4 Esca Escape pe.. Dura Durant ntee esta estass 4 este estepa pass el mecanismo sufre diferentes cargas y en diferentes ángulos pero existe un punto donde existe una carga máxima y es en ese punto de donde tomares esos datos para analizarlos después. Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla 10° antes para llegar al PSM la chispa se activa, provocando que la mezcla comience quemarse y cuando llegue al PSM esta fuerza explosiva que se esta liberando se comprima y debido a las fuerzas inerciales el mecanismo sigue avanzando y al encontrarse a 10° después del PSM es cuando toda la
fuerza es liberada.
El primer paso es multiplicar la relación de compresión por la presión atmosférica puesto que que esto esto es la cant cantid idad ad de vece vecess que que se comprime la presión atmosférica en la cámara de combustión co mbustión..
Como la mezcla se detona esto produce que la presión aumente de 3 a 5 veces.
Desp espués ués de enco enconntrar trar esta sta presi resión ón se intr introd oduc ucee esa esa pres presió iónn en la ecua ecuaci ción ón de presión y se despeja la fuerza. Este seria el esquema del momento cuando ocurre la máxima carga al sistema.
ANALISIS DE RESULTADOS Formulas y cálculos de las fuerzas
Para saber cuanto es la fuerza que produce la combu combusti stión ón del combus combustib tible le hay tener tener en cuenta los siguientes factores. 1. Relacion de compresión
Despué Despuéss de hacer hacer los los cálcul cálculos os debido debidoss se calculo que la fuerza máxim áximaa es de 29368.642 N que equivale a 2.99 Toneladas. Para el primer análisis se tomo la biela de perfil H.
Para obtener la relación de compresión se divide el volumen total del cilindro sobre el volumen de la cámara de combustión. co mbustión.
2. Presión Atmosférica La presión atmosférica a nivel de mar es de Pa = 15 PSI o 103.422 KPa 3. Área del pistón
Se modelo la biela es SOLID EDGE Desp Despué uéss de model odelar ar la biel bielaa se anal analiz izoo util utiliz izan ando do el prog progra rama ma ALGO ALGOR. R. En el programa ALGOR se fijaron todos los datos
correspondientes a la biela para que simulara el comportamiento de la biela al ser sometida a la fuerza máxima.
Debido a que la fuerza ocurre a los 10° Después del PSM la fuerza que se ejerce se descompone en los vectores correspondientes, para este caso en el eje z y x. Los resultados muestran que según el criterio de von Mises el máximo esfuerzo que sufre la biela es de 587.47 MPa si comparamos este resultado con el esfuerzo de tensión admisible es de 470 MPa lo que muestra que el material se deform deformara ara de forma forma plásti plástica, ca, pero pero este este esfu esfuer erzo zo ocur ocurre re solo solo en un punt puntoo muy pequeño de la biela en la rosca interna de la biela.
Pero el esfuerzo que sufre el perfil de la biela es de 320 MPa por lo tanto la biela tendrá una defo deform rmac ació iónn elás elásti tica ca y mante antend ndrá rá sus sus propiedades.
muest uestra ra que que al no ser ser tan tan rígi rígida da pued puedee presentar menos fatiga al absorber parte de la fuerza que se le aplica.
El factor de seguridad de la biela es de 2.19 el cual es un factor de seguridad razonable para una pieza de un motor convencional pero para las las alta altass exig exigen enci cias as de un mo moto torr de alto alto rendimiento es un factor de seguridad no muy alto y el ideal seria de 3.5 a 4. Se puede observar que la biela de sección tran transv sver ersa sall H se compo comport rtaa bien bien ante antess las las cargas a las que se somete. Ahora analicemos que ocurre con la biela de perfil en I Se puede observar que los esfuerzos tratan de concentrarse en los puntos de unión del perfil con los cilindros.
Este es el tipo de biela que traen convencio convencionalme nalmente nte los carros, carros, observemo observemoss que pasa cuando se somete a la misma fuerza que la anterior biela. El desplazamiento máximo que sufre la biela es de 0.206 0.206 mm lo que que demuest demuestra ra que que la bie biela la tien tienee una una defo deform rmac ació iónn admis admisib ible le y
El fuerzo máximo según el criterio de von Mises fue de 1099.604 MPa, y se generaba en la parte inferior de la rosca.
Los esfuerzos son altos en la mayoría de toda la biel bielaa pero pero trata trata de conce concent ntra rars rsee los esfuerzos más altos en las uniones del perfil con los cilindros aunque no están notorios como en la anterior biela.
No obstante los desplazamientos de la biela son casi igual de bajos a la anterior biela.
Como se puede ver la pieza esta sometida a un esfuerzo 400 MPa, se puede ver que esta marcando mayor esfuerzo que la biela tipo H. El mayor desplazamiento es de 0.247 mm que es casi el mismo desplazamiento que tuvo la anterior biela y se puede observar como el despla desplazam zamien iento to estuvo estuvo de acuerd acuerdoo con el ángulo que se descompuso la fuerza. El factor de seguridad de para este tipo de biela dio un valor 0.997 en la mayoría de la pieza lo que indica que tiene un factor de seguridad muy bajo tanto, se puede ver que a diferencia de la anterior biela los tornillos también quedan con factor de seguridad igual que al de toda la biela mientras que en el
anterior diseño lo tornillos quedaban con un factor de seguridad muy alto.
mayor mayor resistenc resistencia ia y distribu distribución ción de los esfuerzos. •
CONCLUSIONES •
•
•
Se pusieron en las mismas condi condicio ciones nes ambas ambas bielas bielas,, misma misma carga y mate ateria rial, y se obtuvo resultado diferentes mostrando que si existe una diferencia notoria entre un tipo de perfil y el otro. Si la biela de perfil I la sometiera a las cargas de un motor estándar los resultandos serian favorables, es decir los los esfu esfuer erzo zoss no seri serian an alto altoss y el factor de seguridad seria mayor por lo tanto seria ideal para esas condi condicio ciones nes,, es decir decir la biela biela esta esta diseñada correctamente puesto que se diseña para las prestaciones normales de un motor pero no se puede incrementar las exigencias puesto que no seria segura. Observ Observand andoo mas mas deten detenida idame mente nte la bie biela la ti tipo po I ll lleg egaa a tene tenerr un área área mínima mín ima de sección sección transvers transversal al mas 2 pequeña que la H 69.312 mm esto se debe a que el cuello de la biela se va reduci reduciend endoo desde desde la base, base, mient mientras ras que la biela tipo H mantiene de forma uniforme su anchura desde la base hasta el cuello, lo que le otorga una
•
A pesar de que la biela tipo I tiene una geometría mas compleja puesto que fue forjada, esta característica no le dio ninguna ventaja que a la otra biela que fue maquinada. La única diferencia es que debido a que fue forj forjad adaa la estr estruc uctu tura ra inte intern rnaa de la biela la hace mas dura y dúctil al momento de algún impacto tendera a doblarse mas no a quebrarse mientras que la biela tipo H tendera a quebrarse. Se puede concluir que si existe una diferencia notoria entre el perfil H e I. Pero no obstante esto no demuestra que la biela biela H sea superi superior or pueden pueden existir existir otras otras condicione condicioness las cuales cuales pueda mostrar que el perfil I resiste más. Por lo tanto se puede concluir que para este motor Honda B18C1 con las modificaciones que tiene y al régimen de revoluciones que gira la biela con sección transversal tipo H es la ideal.
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