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Análise termomecânica do Sistema Cambota-Biela-Pistão 
 
 
 
 
Mestrado Engenharia Industrial 
 
 
 
Carlos Oliveira – a29518 
Miguel Canhizares – a38171 
 
 
 
 
 
 
Janeiro 2018 
 
Resumo 
 
Através do software ANSYS Workbench, efetuou-se um estudo termomecânico 
do sistema cambota-biela-pistão. No estudo do sistema utilizou-se três materiais, 
aço estrutural, aço C70S6 e uma a liga de alumínio (Al 360). O estudo será 
realizado tendo em conta as dimensões iniciais de referência da biela e tendo 
em conta a temperatura mais desfavorável transmitida pelo pistão à biela. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Sumário 
 
Introdução .................................................................................................................................. 4 
Objetivos..................................................................................................................................... 5 
Fundamentos teóricos ............................................................................................................ 6 
Pistão ....................................................................................................................................... 6 
Biela ......................................................................................................................................... 7 
Cambota .................................................................................................................................. 8 
Solução do Problema .............................................................................................................. 9 
Resultados ............................................................................................................................... 15 
Conclusões .............................................................................................................................. 19 
Referências Bibliográficas ................................................................................................... 20 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Introdução 
 
Hoje em dia cada vez é mais usual o recurso a ferramentas CAD/CAE na 
industria, pois é possível desenvolver um produto com maior rapidez da sua fase 
inicial de design até ao produto final. Com estas ferramentas é possível otimizar 
o desempenho dos produtos, escolha do material e até o dimensionamento 
adequado dos produtos. 
O mecanismo que é utilizado nos motores de combustão interna é o sistema 
biela-manivela. Este mecanismo aproveita o aumento de pressão relativo à 
combustão da mistura ar-combustível para imprimir o movimento de rotação ao 
veio excêntrico do motor, resultando assim uma rotação. Os motores são 
constituídos por cilindros, dentro dos destes estão os pistões ligados a biela e 
por sua vez à cambota, resultando assim um mecanismo biela-manivela. Através 
das pressões elevadas resultantes da combustão da mistura ar-combustível, a 
pressão exercida no topo do pistão provoca um movimento de translação no 
mesmo e é conduzida pelo mecanismo biela manivela proporcionando 
movimento ao veio excêntrico do motor. Desta forma, a biela é responsável por 
transformar o movimento linear do pistão, no movimento de rotação da cambota. 
Devido à necessidade de aumentar o desempenho dos motores de combustão, 
os sistemas CAD/CAE são imprescindíveis. Os sistemas CAD/CAE permitem o 
desenvolvimento dos produtos de forma mais eficiente, rápida e com melhor 
adaptação dos materiais e formato dos produtos visando assim uma otimização 
do desempenho térmico e estrutural. 
 
 
 
 
 
 
 
 
Objetivos 
 
Com este trabalho tem-se os seguintes objetivos: 
 Análise termomecânica do sistema Cambota-Biela-Pistão; 
 Comparar a análise do desempenho do sistema Cambota-Biela-Pistão em 
função do material utilizado: Liga de Alumínio 360, Aço Estrutural e Aço 
C70S6. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Fundamentos teóricos 
 
Motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia 
proveniente de uma reação química em energia mecânica. O processo de 
conversão obtém-se através de ciclos termodinâmicos que envolvem expansão, 
compressão e mudança de temperatura de gases. São considerados motores de 
combustão interna aqueles que utilizam os próprios gases de combustão como 
fluido de trabalho, ou seja, são estes gases que realizam os processos de 
compressão, aumento de temperatura, expansão e finalmente exaustão. Assim, 
este tipo de motor distingue-se dos ciclos de combustão externa, nos quais os 
processos de combustão ocorrem externamente ao motor 
 
 
Figura 1 - Motor de combustão interna. Fonte: mundoeducacao.uol.com.br 
 
Pistão 
 
O pistão um componente do motor que participa do ciclo de funcionamento e 
inicia o trabalho mecânico a partir da expansão dos gases queimados, 
transportando a força à cambota através da biela. 
O pistão tem a forma de um copo cilíndrico invertido, a superfície é direcionada 
para a câmara de combustão, designada por cabeça do pistão. 
A parte intermédia, chamada de corpo, possuí dois orifícios circulares que 
possibilita a sua fixação ao pé da biela através de um eixo em aço conhecido 
como pino do pistão. A sua posição é mantida dentro do pistão através de 
retentores adequados, ou revestido de um material para que este eixo não se 
 
desloque pelo orifício, prevenindo assim um desgaste ou deterioramento do 
cilindro do motor. 
 
 
Figura 2 - Pistão de um motor. Fonte: CARiD.com 
 
Biela 
 
Trata-se do braço de ligação entre o pistão e a cambota. Este componente sofre 
o impulso dos pistões, transmitindo-o à cambota. É importante salientar que o 
conjunto biela-cambota transforma o movimento retilíneo dos pistões em 
movimento rotativo da cambota. As bielas são constituídas por aço-liga 
estampado e, por vezes, de alumínio. A tampa da biela, junto à cabeça, é fixa 
por parafusos de aço, o que lhe confere grande resistência. O seu formato 
apresenta detalhes denominados pelo pé, corpo e cabeça da biela mostrados na 
Figura 3. O corpo da biela é tubular ou de seção em duplo T. As bielas 
inteiramente maquinadas asseguram um melhor equilíbrio do motor e menores 
vibrações. Os metais utilizados dependem do tipo de motor, das cargas a que 
será sujeita e da velocidade de rotação. 
 
 
Figura 3 - Biela de um motor. Fonte: barros.com.br 
 
Cambota 
 
A cambota é responsável pela transformação do movimento alternativo do pistão 
em rotativo do eixo do motor. A cambota pode ser uma peça fabricada por 
fundição, forjamento, ou ser formada por várias peças, permitindo ser 
desmontada ou usar rolamentos entre esta e a biela. A cambota é geralmente o 
componente que comanda os sistemas de distribuição, ignição, injeção, 
arrefecimento e lubrificação através de engrenagens, correntes ou através de 
sensores eletrónicos de posição. A cambota roda apoiada no bloco do motor, 
através de casquilhos ou rolamentos. 
 
 
Figura 4 - Cambota de um motor de combustão interna. Fonte: seat.pt 
 
 
 
Solução do Problema 
 
Para a solucionar o problema proposto no presente trabalho, foi utilizado os 
softwares SolidWorks 2016 e Ansys Workbench 18.2. Primeiramente, foi feita a 
montagem dos componentes a serem estdados através do Software SolidWorks 
2016 e em seguida o arquivo foi salvo como a extensão parasolid (*.x_t). As 
peças modeladasem SolidWorks 2016 que são utilizadas neste projeto são 
provenientes do projeto anterior, sobre o estudo cinemático dos componentes do 
motor. 
Após esse procedimento, já utilizando o Ansys Workbench 18.2, foi inserido um 
componente de Engineering Data, para modificar as propriedades dos materiais, 
de acordo com as tabelas 1, 2 e 3, mostradas a seguir. Foi inserido também um 
componente de Geometry, importando para o Ansys a geometria criada 
anteriormente no SolidWorks. 
 
 Tabela 1 - Propriedades da liga de Alumínio 360. 
Material properties Aluminum 360 
Young`s modulus (E) 80x103 MPa 
Poisson`s ratio (μ) 0.33 
Density (ρ) 2.685x10-6 kg/mm3 
Tensile ultimate strength 303 MPa 
Yield strength 170 MPa 
Shear strength 190 MPa 
 
 Tabela 2 - Propriedades do Aço Estrutural. 
Material properties Structural Steel 
Young`s modulus (E) 2.0x105 MPa 
Poisson`s ratio (μ) 0.3 
Density (ρ) 7.85x10-6 kg/mm3 
Tensile ultimate strength 460 MPa 
Tensile yield strength 250 MPa 
Compressive yield strength 250 MPa 
 
 
 Tabela 3 - Propriedades do Aço C70S6. 
Material properties C70S6 Steel 
Young`s modulus (E) 210x103 MPa 
Poisson`s ratio (μ) 0.3 
Density (ρ) 7.85x10-6 kg/mm3 
Tensile ultimate strength 900 MPa 
Tensile yield strength 550 MPa 
Compressive yield strength 550 MPa 
Compressive ultimate 
strength 
600 MPa 
Fatigue strength 345 MPa 
 
O domínio elástico da liga de alumínio 360 foi calculado através do eurocódigo 
EN1999.1.2.2007. Os valores do domínio elástico foram consultados na tabela 
2 do eurocódigo referido anteriormente, sendo eles apresentados na tabela 4. 
 
Tabela 4 - Domínio elástico da liga de alumínio 360 
Temperatura ºC E(MPa) 
20 70000 
50 69300 
100 67900 
150 65100 
200 60200 
250 54600 
300 47600 
350 37800 
400 28000 
550 0 
 
Na sequência do estudo, foi tratada as propriedades térmicas do material através 
do componente Steady-State Thermal. Onde foi gerada a malha de elementos 
finitos, com relevancia de valor 20, também foram determinadas as condições 
de contatos e juntas entre os elementos do sistema em estudo. 
 
 
 
Figura 5: Modelo do conjunto a ser analisado com malha de elementos finitos. 
 
Para a solução do problema no estudo térmico foram dadas as condições iniciais 
de temperatura, onde no topo do pistão foi determinada a temperatura máxima 
de 350ºC, visto que autores como HAMZEHEI (2006) e ZHANG (2013) citam que 
as temperaturas no topo dos pistões variam entre 300ºC e 350ºC, superficie em 
contacto com a câmara de combustão dos gases. Na cambota a temperatura 
escolhida foi a do óleo em condições normais de funcionamento do motor, ou 
seja, 90ºC. 
 
 
Figura 6: Temperaturas na superfície do pistão e na cambota. 
 
 
Com a análise térmica feita, pode-se passar para a análise mecânica utilizando 
também os resultados do estudo térmico. Onde as condições iniciais foram a 
pressão exercida no topo do pistão causada pela combustão dentro do bloco do 
motor e o suporte cilindrico, que é a conexão da cabeça da biela e a cambota. 
Os valores foram obtidos de acordo com as especificações do motor mostrados, 
a seguir, na ficha técnica do modelo escolhido. 
Cálculo de pressão para Motor Suzuki 150 cc 
Especificações: 
Tipo de motor refrigerado a ar 4 tempos, Bore x Stroke (mm) = 57 × 58.6; 
Deslocamento = 149.5 CC; 
Potência máxima = 13.8 bhp; 
Torque Máximo = 13,4 Nm a 6000 rpm; 
Relação de Compressão = 9,35 / 1; 
Densidade da gasolina C8H18 = 737,22 kg / m3; 
Temperatura = 60º; 
Peso Molecular de Gasolina 114.228 g / mole. 
Da Equação do Gas: 
0,1102
*8314*288,855 15,5
0,11423*149457,25W W
M M
PV RT P RT MPa
M M V
    
 
 
 
Figura 7: Condições de contorno para força e restrições de movimento. 
 
Para uma análise mais precisa sobre a biela, que é a peça onde faz a conexão 
do movimento linear do pistão para o movimento rotativo da cambota, foi feito 
um estudo apenas com este componente. Para isso, foi duplicada no Ansys 
Workbench o componente Geometry e refeita a analise Steady State-Thermal e 
Static Strutural. 
Neste passo, a temperatura utilizada na cabeça da biela foi determinada através 
da temperatura média do componente em contato direto com esta superficie, ou 
seja, o pino. 
 
 
Figura 8: Modelo da análise feita apenas na biela e temperaturas para o modelo de liga de 
alumínio. 
 
Anteriormente, foi utilizado a pressão exercida pela combustão no topo do pistão, 
já para este estudo, foi calculada qual a força que essa pressão exercia na 
cabeça da biela. Através da equaçao apresentada a seguir. 
 
𝑃 [𝑃𝑎] =
𝐹 [𝑁]
𝐴 [𝑚2]
 
𝐹 = 𝑃 × 𝐴 = (15.5 × 106) × (
𝜋 × (57 × 10−3)2
4
) 
 
𝐹 = 39552.26 ≅ 40 𝑘𝑁 
 
 
 
Figura 9: Força e restrições para o estudo feito na biela. 
 
 
 
Resultados 
 
Nesta secção é mostrado os resultados da análise termomecânica de três bielas, 
a variar os materiais utilizado em sua composição. Os resultados obtidos 
correspondem à tensão equivalente de Von-Mises, deformação total e os fatores 
de segurança. 
Para o Aço Estrutural, os resultados obtidos para tensão equivalente de Von-
Mises, a deformação total e o fator de segurança são apresentados na Figura 
10, a seguir. 
 
 
a) 
 
b) 
 
c) 
Figura 10: Resultados obtidos para Biela de Aço Estrutural para tensão equivalente de Von-Mises 
a) para a Deformação Total b) e para o Fator de Segurança c). 
 
Os resultados obtidos na simulação feita para o Aço C70S6, são mostrados na 
sequencia, para tensão efetiva de Von-Mises, Deformação total e Fator de 
Segurança, respectivamente. 
 
 
 
a) 
 
b) 
 
c) 
Figura 11: Resultados obtidos para Biela de Aço C70S6 para tensão equivalente de Von-Mises 
a) para a Deformação Total b) e para o Fator de Segurança c). 
 
Nas figuras seguintes estão representados os resultados obtidos na simulação 
utilizando a Liga de Alumínio 360 como material de composição dos 
componentes. 
 
 
a) 
 
b) 
 
c) 
Figura 12: Resultados obtidos para Biela de Liga de Alumínio 360 para tensão equivalente de 
Von-Mises a) para a Deformação Total b) e para o Fator de Segurança c). 
 
 
A Tabela 5, mostrada a seguir mostra os resultados obtidos utilizando os três 
materiais estudados. Com os valores da tensão Von-Mises, deformação e o 
respetivo coeficiente de segurança. 
 
Tabela 5 - Comparação dos valores obtidos para a tensãoequivalente de Von-Mises, 
deformação total e coeficiente de segurança para os três materiais estudados. 
Material Tensão Von-Mises 
[MPa] 
Deformação 
[mm] 
Coeficiente de 
segurança 
Aço estrutural 470,63 0,20442 0,53121 
Aço C70S6 493,88 0,2075 1,1136 
Liga de alumínio 360 287,89 0,26368 0,59051 
 
Os valores da tensão de Von-Mises apresentados são os valores máximos para 
cara material, tanto como os valores de deformação na biela, já os valores do 
coeficiente de segurança correspondem aos valores mínimos obtidos nas 
simulações. 
Pode-se concluir que, comparando os valores das tensões de Von-Mises, os 
valores para os aços são bastante semelhantes, e há um valor menor para o 
alumínio, já que a tensão de cedência é menor para esta liga em comparação ao 
aço. Verificou-se que as zonas de maior tensão estão localizadas próximas ao 
pé da biela, isto deve-se à geometria da biela. Assim sendo o maior valor 
registado para a tensão de Von-Mises, encontra-se na biela em aço C70S6, e a 
menor tensão encontra-se na biela em alumínio. 
Observando os valores das deformações, nota-se que a maiordeformação 
ocorre na biela em liga de alumínio 360 (0,26368 mm) e a menor ocorre no aço 
estrutural (0,20442 mm). Estes resultados eram esperados uma vez que o 
módulo de elasticidade do aço estrutural é maior do que o aço C70S6 e da liga 
de alumínio 360. 
Para os coeficientes de segurança, tem-se que a biela em aço C70S6 é a que 
possui maior coeficiente de segurança, a biela em liga de alumínio 360 apresenta 
um valor intermédio e a biela de aço estrutural é a que apresenta menor 
coeficiente de segurança. Uma vez que a tensão ultima de cedência do aço 
 
C70S6 é de 900MPa, sendo este valor desta propriedade superior aos restantes 
materiais utlizados, era eperado que este fosse o de maior fator de segurança. 
 
 
Conclusões 
 
Com a análise dos resultados pode-se concluir que a biela em aço C70S6, é a 
mais apropiada, pois apresenta um maior coeficiente de segurança em relação 
aos outros materiais. Para este material também, a tensão equivalente de Von-
Mises é a que está mais distante do valor da tensão de cedência em relação aos 
materiais estudados. O aço C70S6 apresenta um coeficiente de segurança 
1,1136, apesar de ter o valor mais alto dos materiais em estudo, não será um 
valor adequado, pois para coeficientes de segurança valores mais adequado 
seriam acima de 2,0 uma vez que a biela está sujeita a cargas dinâmicas 
elevadas 
Dever-se-ia ter obtido valores de coeficientes de segurança mais elevados, mas 
pode-se ter cometido alguns erros de modelação da geometria da peça, ou 
algum erro na introdução das propriedades do material. 
A região com maiores tensões estão localizadas logo abaixo da cabeça da biela, 
isso é devido ao raio de curvatura ser muito pequeno nessa área. Já a região 
com maiores deformações estão localizadas no topo da biela, região logo acima 
do pino, pois a carga aplicada no pistão é passada para a biela através do pino. 
 
 
 
Referências Bibliográficas 
 
 Zhang, H; Lin, Z; Xing, J. Temperature Field Analysis to Gasoline Engine 
Piston and Structure Optimization. Journal of Theoretical and Applied 
Information Technology, 2013. 
 Hamzehei, M; Rashidi, M. Determination of Piston and Cylinder Head 
Temperature Distribution in a 4-Cylinder Gasoline Engine at Actual 
Process, Greece, 2006. 
 Mesquita, L. M. (2017). Projecto Integrado por Computador. Portugal: 
Instituto Politécnico de Bragança.

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