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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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