Cinemática y Equilibrado Proyecto de Motores

Índice de la Presentación Cinemática. Sistema Biela-Manivela Análisis de las Fuerzas Par motor. Diagrama Motor desplazado Sistemas especiales Equilibrado Estático. Dinámico Fuerzas 1er y 2do orden Orden de encendido Casos particulares

Cinemática. Sistema biela-manivela Posición del pistón con respecto al PMS: Velocidad del pistón: Aceleración: ¿Por qué resulta importante conocer la cinemática, valores máximos, mínimos y demás? Conociendo las leyes que gobiernan el movimiento de los órganos del sistema es fácil obtener, en relación a su peso, las fuerzas que se generan en dicho movimiento.

Máximos de la aceleración. Fuerzas de inercia Valores máximos y mínimos de la aceleración: fuerzas de inercia (masas alternantes): F=m.a Pistón completo con sus aros; Perno del pistón y partes anexas; Pie de biela y dos tercios de la caña o cuerpo de biela; Vástago y cruceta (en su caso). Causa mas importante de las vibraciones. Suelen modelarse como presiones aplicadas al pistón, influyen sobre el par motor y cojinetes de bielas y bancadas. fuerza centrífuga (masas rotantes): Fc=m. r. w2 Perno de la manivela Cabeza de la biela completa y un tercio de su cuerpo o caña. Intervienen en el equilibrado del motor.

Fuerzas alternas de inercia Fuerza de inercia debida a las masas alternantes: El primer término: (m.r.w2.cos α) representa la fuerza alterna de inercia de primer orden y el segundo término: (m.r.w2.λ.cos 2α) constituye la fuerza alterna de inercia de segundo orden.

Fuerza resultante Se obtiene componiendo la fuerza de presión ejercida por los gases y la fuerza alternativa de inercia. Admisión: solo fuerzas de inercia Compresión: fuerzas de inercia invertidas oponiéndose a la presión causada por compresión Expansión: la fuerza de inercia se opone a la presión de combustión Escape: solo fuerzas de inercia.

Par motor La fuerza que se dirige a la biela es: Si hacemos esta fuerza por el brazo , obtenemos asi el par motor deficino como: Trabajando la expresión se llega a: Mt=

Diagrama par motor Par motor para un monocilindro de 4 tiempos. La relación entre los valores máximos y mínimos del par motor es un índice del grado de irregularidad del motor. Si aumenta el numero de cilindros la diferencia entre máximos y mínimos es siempre menor.

El Volante de inercia Participa cuando hay diferencias entre el trabajo motriz y el resistente. acumula energía cinética. restituye al sistema. Grado de irregularidad (δ) Diferencia entre las velocidades angulares máx y mín de rotación

Es una relación muy interesante… Mayor ΔE , mayor irregularidad del motor Menor Z , mayor irregularidad del motor Variando Mi se obtendrá un δ adecuado. Factores a tener en cuenta: Condiciones de arranque Marcha al mínimo Desaceleración Número de cilindros

Consideraciones sobre λ Mayor es la razón Menor empuje lateral Reducción masa pistón Aumento masa biela Mayores fuerzas alternativas de inercia Valores utilizados de λ entre 0,2 y 0,3.

Motor Desplazado Se desea reducir las fuerzas normales que ejerce el pistón al cilindro El golpeteo provoca pérdidas de potencia y desgaste Solución Traslación lateral del eje del cilindro con respecto al plano vertical que pasa por el eje del cigüeñal

Ventaja Biela menos inclinada en etapas de Aspiración y Expansión Desventajas PMpistón no coincidentes angularmente con PMbiela-manivela Carrera del pistón mayor que el valor normal

Sistemas especiales de Biela-Manivela Para los motores de varios cilindros dispuestos en V o estrella, surge el problema de unir a una misma manivela dos o mas bielas Bielas sobre el mismo codo de cigüeñal Biela madre y bieletas

Motores estrella Este sistema biela-manivela ha sido adoptado en los motores de aviación.

Equilibrado Fuerzas y momentos que actúan sobre el pistón, cilindro, biela, cojinetes y bloque. Fuerzas flexionales, torsionales y axiales de 1° y 2° orden variables en el tiempo producen vibraciones. Se deben equilibrar el cigüeñal (estatica y dinamicamente) y las fuerzas de primer y segundo orden.

Ventajas de un correcto equilibrado Reducción del desgaste y de fenómenos asociados al uso a lo largo del tiempo del motor. Disminución del efecto vibratorio, no solo del motor, sino de otros elementos adyacentes al mismo. Como disminuye los efectos provocados por la vibración y el desgaste, los componentes del motor puede dimensionarse de un menor tamaño y peso. La reducción de la tensión a la que está sometida el motor permite aumentar la potencia en el eje.

Equilibrado del cigüeñal Equilibrado estático Al realizar el equilibrado estático el baricentro se ubica en el eje de rotación, lo que implica que se mantiene quieto en cualquier posición. Se logra en motores de varios cilindros mediante una correcta disposición de las manivelas. En el caso de ser insuficiente, se consigo el efecto deseado con contrapesos.

Equilibrado del cigüeñal Equilibrado dinámico El desequilibrio dinámico es debido a las fuerzas actuantes variables en el tiempo, masas excéntricas y fuerzas de inercia. El equilibrado se realiza por medio de contrapesos que se deben verificar analíticamente.

Conclusión Equilibrado del cigüeñal En conclusión, el equilibrio de las masas rotantes puede conseguirse con: • Correcta elección de la disposición de las manivelas, respetándose la condición de reparto uniforme de los ciclos en cada giro. • Contrapesos en cantidad suficiente y en posición adecuada. En la práctica no se consigue el equilibrado adecuado directamente y por medio de oportunos retoques (agujeros) se puede conseguir el equilibrado apropiado (Balanceo).

Equilibrado de Fuerzas de 1er orden alternativas.  

Equilibrado de Fuerzas de 2do orden alternativas.  

Equilibrado de Fuerzas de 2do orden alternativas.

Orden de encendido Se establece un orden de encendido para los diferentes cilindros para lograr: 1)Par motor regular 2)Equilibrado dinámico del eje cigüeñal Para un motor 4T, es posible elegir entre varios órdenes de encendido ¿En qué nos basamos para elegir el más conveniente? Uniformidad  Carga sobre los cojinetes de bancada  Se alternan las combustiones en los cilindros Llenado regular de cilindros  Alimentados por un múltiple Se evita que se obstaculicen

Orden de encendido Soluciones más utilizadas Para motores 2T, el orden de encendido es único y lo define el equilibrado de las manivelas. Motor (4T) Orden elegido Ventaja 4 Cilindros 1-3-4-2 No presenta 6 Cilindros 1-5-3-6-2-4 Cargas sobre cojinetes Regularidad en la aspiración

Equilibrado del motor – Casos particulares Motor monocilídrico de 4 y 2 T Fuerzas centrífugas: Equilibrio de masas rotantes  Adición de dos contrapesos iguales en cada uno de los brazos de la manivela Fuerzas alternativas: 1er y 2do Orden  Las vibraciones (debido a F 1er orden) se mitigan con contrapesos No es necesario equilibrar totalmente las fuerzas alternativas, esto supone sistemas complejos y por ende, costosos. Momentos debidos a F. Centrífugas y Alternativas  Nulos

Equilibrado del motor – Casos particulares Motor de cuatro cilindros y 4T Ángulo de desfasaje θ=180 x 4/4=180 grados Se supone cigüeñal de 3 apoyos

Equilibrado del motor – Casos particulares Fuerzas centrífugas: El momento estático de manivelas 1-4 equilibra a 2-3 Fuerzas alternativas (1er orden) Están equilibradas porque están equilibradas las fuerzas centrífugas Momentos debidos a F. Centrífugas Manivelas simétricas. El par de los cilindros 1-2 equilibra 3-4. Para evitar sobrecarga en cojinetes se equilibra con contrapesos Momentos debidos a F. 1er orden Equilibrados porque están equilibrados los momentos debidos a F. Centrífugas

Equilibrado del motor – Casos particulares Fuerzas alternativas (2do orden) La F. 2do orden resultante es igual a 4 veces la de un cilindro, para cualquier posición Momentos debidos a F. 2do orden Las 4 fuerzas están dirigidas al mismo sentido  No producen momento

Muchas Gracias por su atención!

Preguntas Desarrolle las expresiones necesarias para determinar la posición de la biela en función del tiempo. Escriba y explique el orden de encendido para un motor de 16 cilindros en V de 90°. ¿Cuál es la finalidad del volante de inercia? ¿Cuál es la finalidad de los contrapesos en el cigüeñal?