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Diseño y modelado de un conjunto pistón-biela de altas prest

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Pablo Calderon

on 17 December 2013

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Transcript of Diseño y modelado de un conjunto pistón-biela de altas prest

Diseño preliminar de un émbolo y biela para un motor de altas prestaciones

Cálculo de los parámetros básicos del motor
Se define como potencia física el trabajo realizado por unidad de tiempo: P= W/∆t, siendo la potencia instantánea el límite cuando el tiempo tiende a cero.
En el caso de un motor de combustión interna la potencia en términos técnicos dependerá de la presión media efectiva y del régimen de giro del motor para una cilindrada dada. En este caso partiremos de una potencia determinada,
250HP
, como objetivo a alcanzar, y a partir de aquí se desarrollaran los restantes cálculos y dimensionado.
Diseño del pistón
El piston es el elemento más significativo de un motor alternativo. Cumple tres funciones principales que son por un lado la función de pared móvil del cilindro, por otro ha de transmitir la fuerza generada en la combustión a la biela y por último ha de evitar que estos gases de la combustión transcurran al interior del motor.
No es complicado geométricamente pero su diseño implica consideraciones estructurales, másicas, térmicas y de fricción, entre otras.
Conclusiones
-Se han calculado los requisitos de funcionamiento del hipotético motor .

-Se ha diseñado un pistón y una biela, partiendo de estos requisitos de diseño.

-Se han ensayado dichos componentes mecánicos, observándose un factor de seguridad de 3 en ensayo estático y de 1.2 en fatiga.

-Se considera un buen resultado de todas las fases diseño expuestas, pero, en cambio, se considera que para terminar el diseño falta profundizar en el análisis estructural, incluyendo un análisis térmico, fuerzas de inercia y una geometría más exacta del pistón.
Cilindrada
La idea de este trabajo es alcanzar los 250HP con un motor pequeño, compacto y atmosférico. Para empezar esta sección fijaremos la cilindrada total en 2000cc (óptima para un diseño de estas características). Esta cilindrada se distribuye en 4 cilindros en línea, en los que la carrera y el diámetro del pistón se fijan en 86mm (500cc unitarios).
La presión media efectiva
El régimen de giro del motor
Definir un régimen de giro de partida sin una previa simulación es, cuanto menos, arriesgado y criticable. El régimen máximo de giro de un motor depende de muchos factores tanto estructurales como energéticos y de optimización dinámica. En nuestro caso se fija el valor máximo en 9000 rpm, si bien, la potencia máxima se espera antes (en torno a las 8000 rpm).
Resumen
-Motor: atmosférico.
-Potencia: 250HP a 8500 rpm.
-Cilindrada: 2000cc.
-Distribución: 4 cilindros en línea.
-Carrera x diámetro: 86x86 mm
-Pme: 13 bares .
Prefacio
La potencia de un MCIA depende de la energía que se libere en la combustión. De esta forma los parámetros que afectan en el consumo de aire/mezcla, y su aprovechamiento energético son:

-Primero. La cilindrada.
-Segundo. La presión media efectiva.
-Tercero. El régimen de giro del motor.
Matemáticamente la presión media efectiva, pme, se define de la siguiente forma:
pme (BAR)=(P×1200)/(n×C×i)

Donde, P es la potencia (KW), n el régimen de giro (rpm), C la cilindrada (litros) unitaria e i el número de cilindros.
De esta forma la presión media efectiva que nuestro motor debe alcanzar para ofrecer 250HP a un régimen de giro de 8500 rpm es de 13 bares (valor admisible).

Diseño térmico[3]
Nuestro diseño posee ligerísimas variaciones del diámetro expresadas en tolerancias (ver anexo) y una falda elíptica (eje mayor de 43mm y eje menor de 42,70mm), de eje menor el perpendicular al eje del bulón, con objeto de controlar las dilataciones por efecto de una mayor concentración másica en el eje del bulón.
Diseño estructural
El pistón está diseñado de forma nervada y hueca. Esta configuración otorga al pistón una elevada resistencia mecánica con un uso mínimo del material.
Todos los nervios tienen solamente un espesor de 3mm, poniendo especial cuidado en los radios de acuerdo entre superficies, con objeto de reducir el efecto de concentración de tensiones. El material elegido es el aluminio 4032T6 (aluminio silicio) dada su ligereza, resistencia mecánica y a la corrosión y a su coeficiente de dilatación no tan alto.

En a figura se pueden observar las medidas fundamentales de un pistón y su relación con respecto al diámetro. En nuestro diseño hemos violado las reglas correspondientes a las cotas de falda y diámetro del vaciado del bulón debido a los ajustes de masa [1] .
Diseño dimensional
Características

-Falda elíptica.
-Bulón descentrado (0,7mm).
-Diseño nervado.
-Aluminio 4032T6.

Diseño de la biela
Las bielas trabajan a flexión por pandeo en el momento de máxima carga. Se consideran vigas empotradas en el plano de oscilación y articuladas en el plano perpendicular, por lo que el pandeo tiende a producirse en el plano de oscilación.
Diseño mecánico
La distancia entre cabeza y pie de biela es de
110mm
. Esta distancia es lo suficientemente corta para obtener un diseño ligero y resistente a la flexión. El descentrado del eje del bulón se debe a que este longitud crea fuertes esfuerzos laterales en el pistón.
La sección del vástago esta diseñada a pandeo, con grandes momentos de inercia respecto del eje perpendicular al del bulón, para evitar un plano demasiado débil frente a pandeo (ver figura) [2] . La sección adoptada es en forma de
H
(mejores características que la clásica I). El material elegido es el acero por su ligereza y alta resistencia y su conductividad térmica, permitiendo un mjor enfriamiento de la cabeza del pistón y aumentar la relación de compresión.
Otras consideraciones
-Se diseñan dos taladros, uno en la cabeza y otro en el pie, de 2mm de diámetro en un plano a 145º del horizontal, con objeto de permitir el engrase de aceite en los cojnetes.
-Los pernos de fijación de la contrabiela son de acero y de 8mm de diámetro.
Análisis de la biela
Preparación del análisis
Resultados del análisis
Análisis pistón
Pistón simplicado
Aluminio
Sometido a 55 bares
Preparación del análisis
Resultados del análisis
Acero
Sometida a 104 MPa
Cálculo de fatiga
Se define primero el límite a fatiga Se de ambos componentes, calculando los factores de corrección correspondientes, para luego comprobar que estamos en zona segura según el criterio de Goodman [4], según las siguientes expresiones:
Cálculo pistón
La solicitación máxima del pistón (su valor medio en toda la pieza) es de 63Mpa, mientras que la solicitación media correspondiente a la presión media efectiva es de 16Mpa.





Como vemos, según el criterio de Goodman estamos en la zona segura (S_f≤S_e), además tenemos un factor de seguridad de 1.2 a fatiga con lo que se considera que el pistón cumple perfectamente las exigencias de diseño, y no fallará a fatiga.

Cálculo biela
Suponemos el mismo caso que el pistón con tensión alternante la máxima y tensión media la correspondiente a la presión media efectiva.






De nuevo observamos que la biela responde perfectamente a fatiga, en este caso con un factor de seguridad de 1.3.
Referencias
[1] Stefano Gillieri, Ed. Ceac,” Preparación de motores serie para competición”.
[2] Serag, S., Sevien, L., Sheha, G. and El-Beshtawi, “Optimal design of the connecting-rod”, Modelling, Simulation and Control, B, AMSE Press, Vol. 24, No.
[3] Pravardhan S. Shenoy and Ali Fatemi . The University of Toledo, “Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction” 3, 1989, pp. 49-63.
[4] R. Avilés, Ed. Thomson, 2005, “ANÁLISIS DE FATIGA EN MÁQUINAS”,ISBN: 84-9732-344-0.
[5] J. Vinolas ,“Elementos de Máquinas” J. Vinolas, Enero 2013
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