El diseño de un vástago de pistón es un proceso esencial en la fabricación de motores. Este componente juega un papel fundamental en el rendimiento y la durabilidad de un motor, por lo que su correcto diseño es crucial. En este artículo, exploraremos paso a paso cómo se diseña un vástago de pistón, desde la selección del material hasta el análisis de las cargas y temperaturas a las que estará expuesto. Acompáñanos y descubre los secretos detrás del diseño de este elemento clave en la industria automotriz.
Entre los componentes básicos de un motor de combustión interna, el vástago del pistón es uno de los componentes más críticos. A medida que este vástago del pistón se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cilindro del motor, está sujeto a fuerzas alternas de tracción y compresión. Suele estar hecho de acero dulce. Un extremo del vástago del pistón está unido al pistón con una varilla cónica provista de una tuerca. El otro extremo del vástago del pistón está conectado a la cruceta mediante un pasador hendido. Veamos cómo podemos diseñar un vástago de pistón para un motor de combustión interna.
Supongamos que el vástago del pistón experimenta el efecto columnar y se carga excéntricamente con cada carrera de expansión.
Podemos considerar la ecuación derivada anteriormente para determinar la intensidad máxima del esfuerzo de compresión cuando columnas largas se someten a cargas excéntricas.
Podemos reescribir esta expresión de la siguiente manera
A continuación se detallan los parámetros que debemos determinar para diseñar un vástago de pistón para cualquier motor de combustión interna.
Dejar
PAG = presión que actúa sobre el pistón,
D = diámetro del pistón,
D = diámetro del vástago del pistón,
W. = carga que actúa sobre el vástago del pistón,
W.cr = Carga de pandeo o curvatura = W. × factor de seguridad,
σt = Tensión de tracción admisible para el material de la varilla,
σC = límite elástico de presión,
A = área de la sección transversal de la varilla,
yo = longitud de la varilla y
k = Radio de giro más pequeño de la sección de la varilla.
El único parámetro desconocido para diseñar un vástago de pistón es el diámetro del vástago (d). Con el diámetro podemos diseñar el vástago del pistón. Muchos de los parámetros restantes mencionados anteriormente están disponibles para nosotros.
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El diámetro del vástago del pistón es el siguiente:
- Cuando la longitud del vástago del pistón es pequeña I.mi. si la relación de esbeltez (yo / k) es inferior a 40, el diámetro del vástago del pistón se puede determinar equiparando la carga que actúa sobre el vástago del pistón con su resistencia a la tracción. I.mi.
- Cuando la longitud del vástago del pistón es grande, el diámetro del vástago del pistón se determina utilizando la fórmula de Euler o la fórmula de Rankine. Dado que el vástago del pistón está firmemente sujeto al pistón y a la cruceta, puede considerarse un extremo fijo.
La fórmula de Euler es:
y la fórmula de Rankine es:
Problema de ejemplo para la construcción de un vástago de pistón.
Planteamiento del problema: Calcule el diámetro del vástago de un cilindro con un diámetro de 1,5 m, donde se puede suponer que la mayor diferencia de presión de vapor en ambos lados del pistón es de 0,2 N/mm2. La varilla está hecha de acero dulce y está unida al pistón con una varilla cónica y una tuerca y a la cruceta con una chaveta. Suponga un módulo elástico de 200 kN/mm2 y el factor de seguridad es 8. La longitud del poste se puede tomar como 3 metros.
Respuesta:
Diámetro del pistón D = 1,5 m = 1500 mm;
Presión que actúa sobre el pistón. PAG = 0,2 N/mm2 ;
Módulo de elasticidad E = 200 kN/mm2 = 200×103 N/mm2;
Longitud del vástago del pistón yo = 3m = 3000mm
Sabemos que la carga que actúa sobre el pistón.
W = (π/4) × D2 × PAG = (π/4) × (1500)2 × 0,2 = 353475N
carga de pandeo en el vástago del pistón,
W.cr = Ancho × Factor de seguridad = 353475 × 8 = 2,83 × 106 norte
Dado que se supone que el vástago está fijado por ambos extremos, se aplica la siguiente tabla:
Relación entre longitud equivalente (L) y longitud real (l) de la columna
| Condiciones finales | relación entre Longitud equivalente (L) y longitud real (l) |
| Ambos extremos con bisagras. | l = yo |
| Ambos extremos fijos | l = yo / 2 |
| Un extremo fijo y el otro con bisagras. | l = yo /√2 |
| Un extremo fijo y el otro extremo libre. | l = 2× yo |
La longitud equivalente del vástago del pistón es L = l/2 = 3000/2 = 1500 mm
Dejar
D = Diámetro del vástago del pistón en mm
I = momento de inercia de la sección transversal de la barra = (π/64) × D4
Según la fórmula de Euler, la carga de pandeo (W.cr),
El diámetro del vástago que obtenemos de la fórmula de Euler es de 90 mm. Ahora encontremos lo mismo con la fórmula de Rankine y tomemos la más alta.
Según la fórmula de Rankine, la carga de pandeo es
Sabemos que en el acero no aleado la tensión de compresión,
σC = 320 MPa = 320 N/mm2
A = 1/7500
y el radio de giro más pequeño para la sección del vástago del pistón,
Sustituya estos valores en la ecuación de Rankine anterior, tenemos
El diámetro del vástago que obtenemos de la fórmula de Rankine es de 122 mm.
Si se toma el mayor de los dos valores, el diámetro del vástago del pistón es 122 mm.
Entonces podemos diseñar un vástago de pistón para la posición de un motor de combustión interna. Háganos saber lo que piensa sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.
Diseño de una Varilla de Pistón para un Motor de Combustión Interna
Introducción
Dentro de los componentes básicos de un motor de combustión interna, la varilla de pistón es uno de los componentes más críticos. Ya que esta varilla se mueve hacia adelante y hacia atrás en el cilindro del motor, está sujeta a fuerzas alternas de tensión y compresión. Generalmente, está hecha de acero suave. Un extremo de la varilla de pistón se asegura al pistón mediante una varilla cónica provista de una tuerca. El otro extremo de la varilla de pistón está unido a la cruceta mediante una cuña. Veamos cómo podemos diseñar una varilla de pistón para un motor de combustión interna.
Cálculo del diámetro de la varilla de pistón
El único parámetro desconocido para diseñar una varilla de pistón es el diámetro de la varilla (d). Con el diámetro, podemos diseñar la varilla de pistón. Muchos de los otros parámetros mencionados anteriormente estarán disponibles para nosotros.
Cuando la longitud de la varilla de pistón es pequeña, es decir, cuando la relación de esbeltez (l/k) es inferior a 40, entonces el diámetro de la varilla de pistón se puede obtener igualando la carga que actúa sobre la varilla de pistón a su resistencia a la tracción.
Cuando la longitud de la varilla de pistón es grande, se obtiene el diámetro de la varilla de pistón utilizando la fórmula de Euler o la fórmula de Rankine. Dado que la varilla de pistón está asegurada al pistón y a la cruceta, se puede considerar un extremo fijo.
La fórmula de Euler es:
Diámetro de la varilla de pistón = K × (L / (√(E × σt)))
Donde:
K = Constante de Euler dependiendo de las condiciones de apoyo (1 para apoyo en ambos extremos y 2 para un extremo fijo y otro libre).
L = Longitud equivalente de la varilla de pistón (l/2 para un extremo fijo y otro libre).
E = Módulo de elasticidad del material de la varilla de pistón.
σt = Tensión de tracción permitida para el material de la varilla.
La fórmula de Rankine es:
Diámetro de la varilla de pistón = K × (L / (√(a × σc)))
Donde:
σc = Tensión de compresión resistente para el material de la varilla.
a = Área de sección transversal de la varilla de pistón.
Ejemplo de problema para diseñar una varilla de pistón
Enunciado del problema: Calcular el diámetro de una varilla de pistón para un cilindro de diámetro de 1.5 m en el que se puede asumir que la diferencia máxima de presión de vapor en los dos lados del pistón es de 0.2 N/mm2. La varilla está hecha de acero suave y está asegurada al pistón mediante una varilla cónica y una tuerca, y a la cruceta mediante una cuña. Supongamos el módulo de elasticidad como 200 kN/mm2 y el factor de seguridad como 8. Se puede asumir la longitud de la varilla como 3 metros.
Respuesta:
Diámetro del pistón D = 1.5 m = 1500 mm; Presión que actúa sobre el pistón p = 0.2 N/mm2; Módulo de elasticidad E = 200 kN/mm2 = 200 × 103 N/mm2; Longitud de la varilla de pistón l = 3 m = 3000 mm
Sabemos que la carga que actúa sobre el pistón es:
W = (π/4) × D2 × p = (π/4) × (1500)2 × 0.2 = 353475N
Carga de pandeo en la varilla de pistón:
Wcr = W × Factor de seguridad = 353475 × 8 = 2.83 × 106 N
Dado que se considera que la varilla de pistón tiene ambos extremos fijos, por lo tanto, según la tabla siguiente,
Relación entre longitud equivalente (L) y longitud real (l) de una columna
Condiciones de los extremosRelación entre longitud equivalente (L) y longitud real (l)Ambos extremos articuladosL = lAmbos extremos fijosL = l/2Un extremo fijo y otro articuladoL = l/√2Un extremo fijo y otro extremo libreL = 2 × l
La longitud equivalente de la varilla de pistón, L = l/2 = 3000/2 = 1500 mm
Sea d = Diámetro de la varilla de pistón en mm
I = Momento de inercia de la sección transversal de la varilla = (π/64) × d4
Según la fórmula de Euler, carga de pandeo (Wcr),
Diámetro de la varilla de pistón obtenido de la fórmula de Euler es de 90 mm. Ahora determinemos lo mismo utilizando la fórmula de Rankine y tomemos el valor más alto.
Según la fórmula de Rankine, carga de pandeo,
Sabemos que para el acero suave, la tensión de aplastamiento,
σc = 320MPa = 320 N/mm2
a = 1/7500
y el menor radio de giro de la sección de la varilla de pistón,
Sustituyendo estos valores en la fórmula de Rankine anterior, tenemos,
Diámetro de la varilla de pistón obtenido de la fórmula de Rankine es de 122 mm.
Tomando el valor más alto de los dos, el diámetro de la varilla de pistón es de 122 mm.
Así es cómo podemos diseñar una varilla de pistón para una posición del motor de combustión interna. Haznos saber lo que piensas acerca de este artículo en la sección de comentarios a continuación.
Frequently Asked Questions (Preguntas frecuentes):
1. ¿Cuáles son los componentes básicos de un motor de combustión interna?
Los componentes básicos de un motor de combustión interna incluyen el cilindro, el pistón, la biela, el cigüeñal, la culata, las válvulas y la cámara de combustión.
2. ¿Por qué la varilla de pistón es un componente crítico en un motor de combustión interna?
La varilla de pistón es crítica porque está expuesta a fuerzas alternas de tensión y compresión. Debe ser lo suficientemente resistente para soportar estas fuerzas sin deformarse o romperse.
3. ¿Cuál es la función de la varilla de pistón en un motor de combustión interna?
La función de la varilla de pistón es transmitir la fuerza generada por la combustión del combustible al cigüeñal. Esta fuerza se convierte en movimiento lineal que impulsa el movimiento de rotación del cigüeñal.
Referencias externas:
– Example.com
– Example2.com