Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

En el mundo de los motores de combustión interna, cada detalle cuenta. Desde la chispa que enciende la mezcla de combustible hasta la manera en la que se transforma la energía en movimiento. Y en el corazón de todo esto se encuentra la biela, uno de los componentes más importantes y que requiere un diseño preciso y eficiente. En este artículo exploraremos todos los aspectos del diseño de la biela para un motor de combustión interna, desde su funcionamiento básico hasta las innovaciones más recientes. ¡Prepárate para sumergirte en el apasionante mundo de la ingeniería automotriz!

Entre los componentes básicos de un motor de combustión interna, la biela del motor de combustión interna es el más importante y crítico. Sobre la biela actúan alternativamente fuerzas directas de compresión y tracción. Dado que las fuerzas de compresión son mucho mayores que las fuerzas de tracción, la sección transversal de la biela se diseña como un puntal y se utiliza la fórmula de Rankine. En este artículo entenderemos el diseño de la biela de un motor de combustión interna.


Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

Una biela sometida a carga axial. W. puede abrocharse con él X-Eje como eje neutro (I.mi. en el plano de movimiento de la biela) o el Y-Eje como eje neutro (I.mi. en el plano perpendicular al plano de movimiento).


La biela está equipada con bisagras en ambos extremos para que pueda doblarse X-Eje y ambos extremos fijados para evitar que se doblen. Y-Eje. Una biela debe tener la misma resistencia cuando se dobla alrededor de ambos ejes.

Dejar
A = Área de la sección transversal de la biela
yo = longitud de la biela,
σC = límite elástico de presión
W.cr = carga paralizante o pandeo,
Ixx Y Iyy = momento de inercia de la sección alrededor del X-eje y Y-eje o
kxx Y kyy = Radio de giro de la sección alrededor del X-eje y Y-eje o

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.
Doblado de la biela.

Según la fórmula de Rankine:

W.cr alrededor X-Eje

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

W.cr alrededor del eje Y

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

05.a) Unidad de ejercicio Creo 3.0 – C…

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Para que una biela se pandee igualmente alrededor de ambos ejes, las cargas de pandeo deben ser iguales, I.mi.

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Esto muestra que la biela se pandea cuatro veces más Y-eje como aproximadamente X-Eje.

Si Ixx >4 Iyyentonces se produce una curva Y-eje y si Ixx < 4 IyyEl pandeo ocurrirá aproximadamente X-Eje. En la práctica real Ixx se mantiene ligeramente por debajo de 4 Iyy.


Por lo general, está entre 3 y 3,5 y la biela está diseñada para pandearse. X-Eje. El diseño siempre será satisfactorio para el pandeo. Y-Eje.

La sección más adecuada para la biela es la I-Sección con las proporciones como se muestra en la siguiente figura.

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.
I sección de la biela

Área de sección = 2 (4 t × t) + 3 t × t = 11 t2

momento de inercia sobre el X-Eje,

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

y momento de inercia alrededor del Y-Eje,

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Ahora yoxx/Iyy

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Dado que el valor de Ixx/Iyy por lo tanto está entre 3 y 3,5 IEl tramo seleccionado es bastante satisfactorio.

Observaciones:

  1. El I-Se aprovecha la sección de la biela por su ligereza y para mantener las fuerzas de inercia lo más bajas posible. También puede soportar alta presión de gas.
  2. A veces, una biela puede tener una sección transversal rectangular. Para motores de funcionamiento lento se pueden utilizar secciones circulares.
  3. Dado que la biela está hecha de forja, las esquinas afiladas de la I-Las secciones están redondeadas como se muestra en la imagen de arriba para que sea más fácil quitar la sección de los troqueles.

Diseño de biela

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

Planteamiento del problema: Una biela de longitud l puede verse como un puntal, cuyos extremos pueden girar libremente sobre el muñón del cigüeñal y el bulón del pistón. Sin embargo, en las direcciones axiales de estos pasadores, se puede considerar que tienen extremos fijos. Suponiendo que la fórmula de Euler es aplicable, determine la relación de aspecto de la sección transversal rectangular de modo que la biela tenga la misma resistencia en ambos planos de pandeo.

Respuesta:

La sección transversal rectangular de la biela se muestra en la siguiente figura.

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

Dejar,
b = ancho de la sección transversal rectangular,
h = profundidad de la sección transversal rectangular.

Momento de inercia aprox. XX,

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

y momento de inercia aprox. J.J.,

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Según la fórmula de Euler, la carga de pandeo es

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

Carga de pandeo aprox. XX,

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y carga de pandeo aprox. J.J.,

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Para que la biela sea igualmente resistente en ambos planos de flexión,


W.cr (X-eje) = W.cr (Y-Eje)

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Problema de ejemplo para construir una sección en I de biela

Planteamiento del problema: Determine las dimensiones de una biela en forma de I para un motor de gasolina a partir de los siguientes datos y las relaciones de las diversas fuerzas que actúan sobre una biela:
Diámetro del pistón = 110 mm
Masa de las piezas que se mueven hacia adelante y hacia atrás = 2 kg
Longitud de la biela de centro a centro = 325 mm
Longitud de carrera = 150 mm
Velocidad en rpm = 1500 con una posible sobrevelocidad de 2500
Relación de compresión = 4:1
Presión máxima de explosión = 2,5 N/mm2

Respuesta:

Sabemos que el radio de la manivela r = longitud de carrera /2 150 / 2 = 75 mm = 0,075 m

La relación entre la longitud de la biela y el radio del cigüeñal es n = l/r = 325/75 = 4,3

Sabemos que la fuerza máxima sobre el pistón debido a la presión,

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La velocidad angular máxima del artículo anterior,

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Del artículo anterior sabemos que la fuerza de inercia máxima de las piezas alternativas

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La fuerza de inercia de las piezas alternativas es máxima cuando la manivela está en el punto muerto interior. I.mi. si θ = 0°

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Dado que la biela se construye absorbiendo la fuerza en la biela (FC) igual a la fuerza máxima sobre el pistón debido a la presión del gas (Fl), por lo tanto

potencia en la biela, FC = Fl = 23760N

Considera esto I-Sección de la biela con las proporciones que se muestran en la siguiente figura.

Diseño de la biela para un motor de combustión interna.
I sección de la biela
Diseño de la biela para un motor de combustión interna.

También comentamos que la biela está diseñada para pandearse. X-eje (I.mi. en un plano de movimiento de la biela), siempre que ambos extremos estén articulados. Con un factor de seguridad de 6, la carga de pandeo,

W.cr = FC × 6 = 23760 × 6 = 142560N

y área de sección transversal, A = 2 (4t × t) + t ×3t = 11 t2 milímetros2

momento de inercia sobre el X-Eje,

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El radio de giro,

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Sabemos que la longitud equivalente de la varilla está articulada en ambos extremos, L = l = 325 mm

Para acero no aleado se aplica σC = 320 MPa = 320 N/mm2 Y A = 1/7500, tenemos de la fórmula de Rankine,

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De ahí las dimensiones de la sección transversal de la biela.

Altura = 5t = 5 × 6,8 = 34 mm
Ancho = 4t = 4 × 6,8 = 27,2 mm

El espesor del ala y el alma = t = 6,8 mm = 0,0068 m

En base a estos parámetros podemos diseñar la biela de un motor de combustión interna. Háganos saber lo que piensa sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.

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Componentes básicos de un Motor de Combustión Interna: Diseño de la Biela

Entre los componentes básicos de un motor de combustión interna, la biela para motor de combustión interna es el más importante y crítico. La biela está sometida a fuerzas alternantes de compresión directa y de tensión. Dado que las fuerzas de compresión son mucho mayores que las fuerzas de tensión, por lo tanto, la sección transversal de la biela se diseña como una estructura y se utiliza la fórmula de Rankine. En este artículo, entenderemos el diseño de la biela para un motor de combustión interna.

Bucleo de la biela

Una biela sometida a una carga axial W puede plegarse con el eje X como eje neutral (es decir, en el plano de movimiento de la biela) o con el eje Y como eje neutral (es decir, en el plano perpendicular al plano de movimiento).

La biela se considera con ambos extremos con bisagras para plegarse alrededor del eje X y ambos extremos fijos para plegarse alrededor del eje Y. Una biela debe ser igualmente resistente al plegarse en ambos ejes.

Sea A = Área transversal de la biela, l = Longitud de la biela, σc = Tensión de compresión, Wcr = Carga máxima de plegado o de pandeo, Ixx e Iyy = Momento de inercia de la sección alrededor del eje X e Y respectivamente, y kxx y kyy = Radio de giro de la sección alrededor del eje X e Y respectivamente.

Según la fórmula de Rankine,

Wcr para el eje X,

Wcr para el eje Y,

Para que una biela sea igualmente resistente al plegado en ambos ejes, las cargas de plegado deben ser iguales, es decir,

Wcr (eje X) = Wcr (eje Y)

Esto muestra que la biela es cuatro veces más resistente al plegado en el eje Y que en el eje X.

Si Ixx > 4 Iyy, entonces el pandeo ocurrirá en el eje Y, y si Ixx < 4 Iyy, el pandeo ocurrirá en el eje X. En la práctica, se mantiene Ixx ligeramente menor que 4 Iyy.

Por lo general, se toma entre 3 y 3.5 y se diseña la biela para plegarse en el eje X. El diseño siempre será satisfactorio para el pandeo en el eje Y.

La sección más adecuada para la biela es la sección en forma de I con las proporciones como se muestra en la siguiente figura.

Área de la sección = 2 (4t x t) + 3t x t = 11t²

Momento de inercia en el eje X,

Momento de inercia en el eje Y,

Ahora, Ixx/Iyy = (11t⁴/12) / (t⁴/6) = 11/2 = 5.5

Dado que el valor de Ixx/Iyy se encuentra entre 3 y 3.5, por lo tanto, la sección en forma de I elegida es bastante satisfactoria.

Notas:

La sección en forma de I de la biela se utiliza debido a su ligereza y para mantener las fuerzas de inercia lo más bajas posible. También puede resistir altas presiones de gas. A veces, una biela puede tener una sección rectangular. Para motores de baja velocidad, se pueden utilizar secciones circulares. Dado que la biela se fabrica mediante forja, las esquinas afiladas de la sección en forma de I se redondean como se muestra en la figura anterior para facilitar la extracción de la sección de los matrices.

Diseño de la Biela

Enunciado del problema: Se puede considerar una biela de longitud l como una estructura con sus extremos libres para girar en el pasador del cigüeñal y en el pasador del bulón. Sin embargo, en la dirección de los ejes de estos pasadores, se puede considerar que tiene extremos fijos. Suponiendo que la fórmula de Euler es aplicable, determine la relación entre los lados de la sección transversal rectangular para que la biela sea igualmente resistente en ambos planos de plegado.

Respuesta:

La sección transversal rectangular de la biela se muestra en la siguiente figura.

Sea b = Ancho de la sección transversal rectangular, h = Profundidad de la sección transversal rectangular.

Momento de inercia en el eje X,

Momento de inercia en el eje Y,

Según la fórmula de Euler, la carga de pandeo,

Carga de pandeo en el eje X,

Carga de pandeo en el eje Y,

Para que la biela sea igualmente resistente en ambos planos de pandeo,

Wcr (eje X) = Wcr (eje Y)

Ejemplo para diseñar una biela en forma de I

Enunciado del problema: Determine las dimensiones de una biela en forma de I para un motor de gasolina a partir de los siguientes datos y las relaciones de las diferentes fuerzas que actúan sobre una biela: Diámetro del pistón = 110 mm, Masa de las partes móviles = 2 kg, Longitud de la biela de centro a centro = 325 mm, Longitud de carrera = 150 mm, Velocidad en RPM = 1500 con una velocidad de sobrecarga de 2500, Relación de compresión = 4:1, Presión máxima de explosión = 2.5 N/mm².

Respuesta:

Sabemos que el radio de la manivela, r = Longitud de carrera / 2 = 150 / 2 = 75 mm = 0.075 m

La relación entre la longitud de la biela y el radio de la manivela n = l/r = 325/ 75 = 4.3

Sabemos que la fuerza máxima en el pistón debido a la presión,

La velocidad angular máxima a partir del artículo anterior,

Sabemos que la fuerza máxima de inercia de las partes móviles a partir del artículo anterior,

La fuerza de inercia de las partes móviles es máxima cuando la manivela está en el punto muerto interior, es decir, cuando θ = 0°

Dado que la biela se diseña tomando la fuerza en la biela (FC) igual a la fuerza máxima en el pistón debido a la presión de gas (FL), por lo tanto,

Fuerza en la biela, FC = FL = 23760 N

Considera la sección en forma de I de la biela con las proporciones como se muestra en la siguiente figura.

También hemos discutido que la biela se diseña para plegarse en el eje X (es decir, en un plano de movimiento de la biela), asumiendo que ambos extremos están con bisagras. Tomando un factor de seguridad de 6, la carga de pandeo,

Wcr = FC × 6 = 23760 × 6 = 142560 N

Y el área de la sección transversal, A = 2 (4t × t) + t × 3t = 11t² mm²

Momento de inercia en el eje X,

El radio de giro,

Dado que la longitud equivalente de la varilla para ambos extremos con bisagras es L = l = 325 mm

Tomando para acero suave, σc = 320 MPa = 320 N/mm² y a = 1 / 7500, tenemos a partir de la fórmula de Rankine,

Las dimensiones de la sección transversal de la biela son:

Altura = 5t = 5 × 6.8 = 34 mm, Ancho = 4t = 4 × 6.8 = 27.2 mm, Grosor del flange y la unión = t = 6.8 mm = 0.0068 m

A partir de estos parámetros, podemos diseñar la biela para un motor de combustión interna. Déjanos saber qué piensas sobre este artículo en la sección de comentarios a continuación.

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