05mecanica motores alternos

ELECTROMECNICAMOTORES

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MECNICA DE LOSMOTORES ALTERNOS

NDICE


ZOOM ZOOMIMPRIMIR NDICEMECNICA DE LOSMOTORES ALTERNOS

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR MULTICILINDRICO DIAGRAMA DEL PAR MOTRIZ

................................................01

DESFASE UNIFORME DE LOS CICLOS..............................................................................01

ORDEN DE ENCENDIDO.................................................................02

MOTORES BICILNDRICOS...................................................................................04

MOTOR DE CUATRO CILINDROS EN LNEA............................................................................04

MOTOR DE SEIS CILINDROS EN LNEA.......................................................05

TRANSFORMACION DEL MOVIMIENTO ALTERNO EN ROTATORIO...........................................................06

CADENA CINEMTICA BIELA-MANIVELA..............................07

DIVISIN DE LAS MASAS...............................................................07

MASAS ALTERNAS...................................................................................10

MASAS ROTANTES...........................................................................................10

EQUILIBRADO DE LAS PARTES ROTANTES...........................................................................................11

EQUILIBRADO DE LAS FUERZAS CENTRFUGAS.......................................................12

EQUILIBRADO ESTTICO.............................................14

EQUILIBRADO DINMICO..............................................................................14

EQUILIBRADO DE LAS FUERZAS ALTERNAS DE INERCIA..............................................................................14

VOLANTE ................................18

VIBRACIONES CON TORSIN Y FLEXIN.........................................................................................................23

..............................................................24

FUNCIONAMIENTO DEL MOTOR MULTICILINDRICO

El motor monocilndrico tiene un funcionamiento irregular porqu en el arco de dos revoluciones (720) del cigeal hay una fase til de slo 180. Se utilizan varios cilindros para regular el funcionamiento del motor y obtener:-Un par motriz ms regular.-Un mejor equilibrado del motor con menos vibraciones.-Una carga ms uniforme en los cojinetes.

DIAGRAMA DEL PAR MOTRIZ

La fuerza del pistn, suma de la fuerza alterna de inercia y de la fuerza de la presin de los gases, desarrolla un par motriz en el cigeal variable en cada instante de funcionamiento.El funcionamiento de este par en el arco de dos revoluciones del motor es muy irregular, ya que el valor mximo es mucho ms grande del valor medio; esto supone un funcionamiento desigual del motor. Se denomina grado de irregularidad de un motor la relacin entre el valor mximo y el medio del par motriz.

Diagrama del par motriz de un solo cilindro

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EVOLUCION.@GRUPO FIATF O R M A C I N P A R A E L F U T U R O

N de cilindros Grado de irregularidad1 cilindro2 cilindros4 cilindros5 cilindros6 cilindros8 cilindros

10,304,452,952,331,651,49

Con los motores multicilndricos, el funcionamiento del motor es ms regular y tambin su par motriz, ya que se reduce el grado de irregularidad. La tabla siguiente nos indica el grado de irregularidad de los motores con distintos nmero de cilindros.

Grado de irregularidad para distintos nmeros de cilindros

DESFASE UNIFORME DE LOS CICLOS

En los motores multicilndricos, para regular el par motriz y para que el movimiento del cigeal sea ms uniforme, el ciclo de los cilindros es uniforme; esto se consigue situando las manivelas del cigeal desfasadas con el mismo ngulo, segn la siguiente regla:

Desfase = 720 / nmero de los cilindros

En los motores de cuatro tiempos, y

Desfase = 360 / nmero de los cilindros

En los motores de dos tiempos.

Esta regla vale tanto para motores con cilindros en lnea como para motores con cilindros en V, que forman entre ellos un ngulo igual al desfase o un mltiplo suyo; por ejemplo un motor de 6 cilindros tendr un desfase de 120 y podr tener cilindros en V a 120 mientras un motor de 12 cilindros tendr un desfase de 60 y con cilindros en V a 60, 120 180.El desfase uniforme de los ciclos de trabajo no es el nico sistema para determinar la posicin de las manivelas.De hecho, en algunos casos, razones de equilibrado del cigeal pueden ser prioritarias respecto a las anteriores; en este caso se acepta un desfase no uniforme de los ciclos de trabajo.

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El dibujo representa el par motriz para motores con diferente nmero de cilindros, donde el desfase de los ciclos es uniforme, menos en una de las posibles disposiciones del motor bicilndrico (A: motor de dos cilindros en lnea con manivelas desfasadas de 180).

Diagramas del par motriz para motores con diferente nmero de cilindros

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A. 2 cilindros en lnea (manivelas a 180).B. 2 cilindros contrapuestos o 2 cilindros en lnea (manivelas a 360). C. 4 cilindros en lnea.D. 5 cilindros en lnea. E. 6 cilindros en lnea o 6 cilindros en V a 120 (manivelas a 120). F. 8 cilindros en lnea u 8 cilindros en V a 90 (manivelas a 90).





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ORDEN DE ENCENDIDO

La exigencia de obtener un par motriz con una sucesin de los ciclos de trabajo lo ms uniforme posible, y la necesidad de equilibrar el cigeal sin aadir contrapesos, obligan a seguir un determinado orden de encendido.Ya que para un motor de cuatro tiempos con un determinado nmero de cilindros hay varias secuencias de encendido, es necesario elegir la que ms convenga en base a dos hechos muy importantes:-Obtener la mxima uniformidad de carga en los cojinetes de bancada y que no se enciendan dos cilindros adyacentes.-Que las admisiones de los cilindros alimentados con un colector comn no se obstaculicen entre ellas llenando irregularmente algunos de los cilindros.

MOTORES BICILNDRICOS

En los motores bicilndricos el orden de encendido es evidente: 1-2

En estos motores, si el ciclo es de cuatro tiempos y los cilindros en lnea, existen dos casos.Si las manivelas estn separadas de 360, segn un orden muchas veces empleado en los vehculos, la sucesin de las explosiones es regular pero, desde el punto de vista del equilibrado, el motor se parece a un monocilndrico.

Desfase ciclos de trabajo: 720/2 = 360

Sucesin de las fases de un motor de dos cilindros en lnea con manivelas a 360





Si las manivelas estn separadas de 180, la sucesin del encendido es desfavorable, ya que se obtienen dos encendidos a 180 entre ellos, y un arco de 540 sin fases tiles, aunque el motor est ms equilibrado. Esta disposicin de las manivelas es ptima tam-bin en la sucesin de los encendidos si los cilindros se sitan a 180 entre ellos (ubicacin tpica de los motores bicilndricos contrapuestos).

MOTOR DE CUATRO CILINDROS EN LNEA

En los motores de cuatro cilindros en lnea es imposible evitar la sucesin de encendidos en dos cilindros cercanos y por lo tanto se usan indiferentemente dos secuencias de encendido:

1-3-4-2

1-2-4-3

La primera es la que se usa normalmente, aunque no tenga ninguna ventaja con respecto a la segunda.


Ubicacin de las manivelas y sucesin de las fases en un motor de cuatro cilindros en lnea

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MOTOR DE SEIS CILINDROS EN LNEA

En un motor de seis cilindros en lnea, observamos que empezando por el pistn n 1, despus de una rotacin de 120 hacia la derecha del cigeal, los pistones n 2 y 5 se encuentran simultneamente en el P.M.S. Luego al encenderse el cilindro n 1 puede suceder lo mismo indiferentemente en los cilindros n 2 5. Si elegimos el n 5 evitamos que el encendido se produzca en dos cilindros adyacentes, como son el n 1 y el n 2.Del mismo modo podemos elegir entre los cilindros n 3 y 4 con las dos manivelas centrales.En un motor de seis cilindros en lnea, el orden de encendido mejor y el que se usa normalmente es el siguiente:

1-5-3-6-2-4


Ubicacin de las manivelas y sucesin de las fases de un motor de seis cilindros en lnea con orden de encendido 1-5-3-6-2-4

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TRANSFORMACION DEL MOVIMIENTO ALTERNO EN ROTATORIO

El movimiento alterno del pistn se transforma en movimiento rotatorio del cigeal con el sistema biela-manivela.

CADENA CINEMTICA BIELA-MANIVELA

El pie de biela, conectado al pistn mediante el buln, se mueve con un movimiento rectilneo alterno, mientras la cabeza de biela, unida al cigeal mediante el perno de manivela, se mueve con movimiento rotatorio uniforme.

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Cadena cinemtica biela-manivela

Analizando el movimiento resulta que, si la velocidad de rotacin del perno de manivela es uniforme, el pistn se mueve segn una ley matemtica muy compleja, funcin de variosparmetros geomtricos del movimiento. La velocidad del pistn es mxima aproximadamente en correspondencia del punto en el que la biela y manivela forman un ngulo recto.

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l = Longitud biela.r = Radio manivela.c = 2r = carrera pistn. x = Desplazamiento pistn.





Al variar la velocidad del pistn y de las masas unidas al mismo, se originan aceleraciones con inercia.Estas fuerzas se calculan sobre la base de la relacin:

Fa = - maa

Donde:

Fa = fuerza de inercia alterna. ma = masas alternas. a = aceleracin de la masa.

Por otra parte, la rotacin del perno de manivela y de las masas unidas al mismo, implica la existencia de fuerzas centrfugas que se calculan sobre la base de la relacin:

Fc = mr2r

Donde:

Fc = fuerza de inercia centrfuga. mr = masas rotantes.r = radio manivela. = velocidad angular de la masa.

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DIVISIN DE LAS MASAS

La cadena cinemtica biela-manivela se caracteriza por el hecho de que algunas partes estn dotadas de movimiento rectilneo alterno y otras de movimiento rotatorio; el nico rgano dotado de movimiento mixto es la biela. De hecho, el extremo unido al pistn (pie de biela) se mueve alternamente, mientras que el extremo unido al perno manivela del cigeal (cabeza de biela) tiene movimiento rotatorio. Para simplificar los clculos la masa del vstago de biela se divide en dos partes: -Un tercio de su masa se considera concentrada en la cabeza de biela.-Y los otros dos tercios en el pie.

MASAS ALTERNAS

Estn concentradas en el eje del buln del pistn y dotadas de movimiento rectilneo alterno, las masas de las siguientes partes:-Pistn completo con dispositivos de estanqueidad.-Buln pistn y partes cercanas.-Pie de biela y dos tercios del vstago.-Vstago completo y cabeza en cruz (cuando existe, como en el caso de los grandes motores de gasleo navales o industriales).

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Estas masas, al moverse alternativamente, se aceleran en el eje del cilindro, originando las fuerzas alternas de inercia.

MASAS ROTANTES

Estn concentradas en el eje del perno de manivela y dotadas de movimiento rotatorio, las masas de las siguientes partes:-Cabeza de biela (con sombrerete, cojinete, tornillos, tuercas, etc.) y un tercio del vstago.-Perno de manivela.-Brazos de manivela y eventuales contrapesos.

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EQUILIBRADO DE LAS PARTES ROTANTES

En los motores de combustin interna, adems de las fuerzas que actan sobre la cabeza de los pistones, provocadas por los gases en expansin, existen otros tipos de fuerzas.Del anlisis del sistema cinemtico se deduce que mientras que la velocidad de rotacin del cigeal es uniforme, la velocidad lineal del pistn vara de un valor cero, en sus puntos muertos, a un valor mximo cuando la muequilla del cigeal y la biela forman un ngulo recto. Las variaciones de velocidad generan aceleraciones que, a su vez, estando asociadas a unas masas dan origen a:-Fuerzas de inercia alternas de 1er ( Fa' ) y 2 ( Fa") orden, originadas por las masas dotadas de movimiento alternativo, es decir:

- Pistn completo con buln y segmentos.- Pie de biela.- Dos tercios del cuerpo de biela.

Fuerzas de inercia alternadas

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-Fuerzas de inercia centrfugas ( Fc ) son las originadas por las masas rotantes:- Muequilla.- Cabeza de biela con el cojinete, los pernos y las tuercas.- Un tercio del cuerpo de la biela.

Fuerzas centrfugas

Las fuerzas de inercia alternas y las centrfugas (Fa - Fc) de los rganos en movimiento, junto con la presin de los gases, producen en cada cilindro fuerzas y momentos, que actan en el bloque motor y, a travs de los soportes, se transmiten a la estructura de fijacin del motor.Estas fuerzas y momentos varan mucho y aunque los soportes y la estructura tienen una cierta elasticidad, el grupo motor puede vibrar. Vibraciones que, resultan dainas a los rganos internos del motor y a sus soportes exteriores.El equilibrado del motor toma, por tanto, gran importancia para los motores de los automviles y, en particular, para los de elevadas prestaciones.El equilibrado del motor reduce y, si es posible, elimina estas vibraciones, anulando las causas mismas que las provocan, es decir las fuerzas y momentos aplicadas al motor.





A.Cigeal no equilibradoB.Cigeal equilibrado con contrapesos

EQUILIBRADO DE LAS FUERZAS CENTRFUGAS

Para eliminar estas fuerzas y momentos se procede al equilibrado del cigeal.Por esta razn, el equilibrado debe ser tanto esttico como dinmico.

EQUILIBRADO ESTTICO

El cigeal se equilibra estticamente cuando su centro de gravedad est en el eje de rotacin; en estas condiciones el cigeal, dispuesto horizontalmente, entre dos puntas situadas en correspondencia de su eje o en un apoyo de cuchillo, se mantiene quieto en cualquier posicin angular.En la mayor parte de los casos, cuando la disposicin de las manivelas desfasa uniformemente los ciclos de trabajo, el cigeal se equilibra estticamente, al ser las manivelas simtricas respecto al mismo.Si esto no sucede (motores monocilndricos o bicilndricos con manivelas a 360) se aaden unos oportunos contrapesos.

Equilibrado esttico

EQUILIBRADO DINMICO

El cigeal est equilibrado dinmicamente cuando, al girar, las fuerzas centrfugas de las masas en rotacin estn equilibradas (pares centrfugos).

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Mc = Fc x bMc = Par transversal.Fc = Fuerza centrfuga.b = Brazo de aplicacin de la fuerza centrfuga.

El equilibrado dinmico se consigue aplicando una masa en contraposicin, de igual magnitud a la masa que provoca el desequilibrio; con esto se eliminan la fuerzas de 1er orden. Estas se generan cuando el pistn se encuentra tanto en el P.M.S. como en el P.M.I.Por ejemplo, en un motor bicilndrico con manivelas a 180, el cigeal est equilibrado estticamente pero no dinmicamente, ya que las dos fuerzas centrfugas producen un par transversal (Mc).

Cigeal de un motor bicilndrico no equilibrado dinmicamente

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Me = Fc (b/c) x cMc = Par transversal.Fc (b/c) = Fuerza centrfuga de los contrapesos.b = Brazo de aplicacin de la fuerza centrfuga.c = Brazo de aplicacin de la fuerza de los contrapesos.

F = Fuerza de inercia de 1er orden.Fc = Fuerza centrfuga del contrapeso.F = Componente equilibrante.Fo = Componente que desequilibra (horizontal).

Para equilibrarlo dinmicamente hay que aadir dos oportunos contrapesos, de tal forma que esta fuerza (Me) es igual y contraria a la fuerza centrifuga.

Mc = Me Me - Mc = 0

Cigeal de un motor bicilndrico equilibrado dinmicamente con contrapesos

Con cilindros en lnea, la disposicin de manivelas a 180, ofrece ventajas desde el punto de vista del equilibrado pero supone cierta irregularidad en la sucesin de las fases tiles de trabajo. Por esta razn se adopta la solucin de manivelas a 360 que supone que el motor se comporte como un monocilndrico y por lo tanto debe contrapesarse.

Equilibrado de un motor de dos cilindros en lnea con manivelas a 360

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El equilibrado dinmico est determinado no slo por el cigeal en su conjunto, sino tambin por cada volado (posicin del cigeal incluida entre dos cojinetes de bancada), para eliminar las cargas en los cojinetes de bancadas producidas por los pares centrfugos de cada volado. En los motores de cuatro cilindros en lnea, por ejemplo, el cigeal en su conjunto est equilibrado esttica y dinmicamente, pero sus dos volados no lo estn si se consideran individualmente.

Cigeal para motor de cuatro cilindros en lnea: x-x = eje de simetra

Por lo tanto hay que equilibrar dinmicamente cada volado con unos contrapesos.

Cigeal para motor de cuatro cilindros en lnea con volado contrapesado: x-x = eje de simetra

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EQUILIBRADO DE LAS FUERZAS ALTERNAS DE INERCIA

Las fuerzas alternas de inercia, descompuestas en dos trminos sinusoidales de 1er y de 2 orden, actan en el cigeal de forma variable. Para que su estudio sea ms sencillo se sustituye la I' con dos fuerzas I'1 y I'2 de amplitud constante igual a 1/2 ma2r y con rotacin igual a la del cigeal, una con el sentido de la manivela y la otra con sentido opuesto, para mantenerse en posicin simtrica respecto a la I'1, respecto al eje del cilindro.

Descomposicin de las fuerzas de inercia alternas de 1er orden

En la I" se sustituyen dos fuerzas I"1 y I"2 iguales a 1/2 ma2rco, que giran una en el mismo sentido de la manivela, pero con el doble de velocidad para formar siempre con el eje del cilindro un ngulo doble del que forma la manivela, y la otra simtricamente en sentido opuesto.

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Descomposicin de las fuerzas de inercia alternas de 2 orden

Ahora podemos estudiar separadamente el equilibrado de cada uno de los cuatro sistemas de fuerzas I'1, I'2, I"1,I" 2.Respecto al equilibrado de las fuerzas de 1er orden, que giran a la misma velocidad del cigeal, podemos establecer un razonamiento parecido al de las fuerzas centrfugas. Por consiguiente, en los motores multicilndricos, las fuerzas alternas de 1er orden se equilibran:-Si el cigeal est equilibrado estticamente.-Para los motores mono o bicilndricos hay que contrapesar el cigeal para equilibrar las fuerzas centrfugas y las fuerzas I'1 (giran con el mismo sentido del cigeal).

Para equilibrar las I'2, que giran en sentido opuesto, hay que:-Poner unos contrapesos en un eje auxiliar, que gire a la misma velocidad pero en sentido opuesto respecto al cigeal.

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Las fuerzas de 2 orden, que giran con doble velocidad respecto al cigeal, se equilibran ms o menos segn el nmero y disposicin de los cilindros; por ejemplo:-En un motor de seis cilindros en lnea, las fuerzas alternas de 2 orden y el par generado por las mismas estn en equilibrio.-En un cuatro cilindros las fuerzas alternas en cambio estn todas alineadas con el mismo sentido y se suman.

Fuerzas de inercia alternas de 2 orden para un cuatro tiempos con cuatro cilindros en lnea

Hay que tener en cuenta que tanto las fuerzas de 2 orden como los eventuales pares generados por las mismas no se equilibran aunque se coloquen contrapesos en el cigeal.Para equilibrar los motores de cuatro cilindros en lnea de grandes dimensiones, donde las fuerzas producen vibraciones ms fuertes, se montan dos ejes de equilibrado, que giran, uno en sentido opuesto al otro, con el doble de velocidad del cigeal, y estn dotados de masas excntricas oportunamente colocadas.

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I = Fuerzas alternas de 1er ordenII = Fuerzas alternas de 2 orden

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Equilibrado de las fuerzas alternas de 2 orden con dos ejes contrarrotantes

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VOLANTE

Para reducir el grado de irregularidad, en un extremo del cigeal se monta un volante.Se trata de un dispositivo que almacena la energa durante los picos mximos del par motriz, para utilizarla cuando el par disminuye. El volante se dimensiona en base al tipo de uso del motor.En los motores de competicin no existe volante, ya que en estas aplicaciones prima la capacidad de aceleracin del motor.En los motores para vehculos de clase alta, el volante tiene mucha inercia para reducir el grado de irregularidad y que el motor funcione mejor.

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Volante del motor





VIBRACIONES CON TORSIN Y FLEXIN

El cigeal, durante el funcionamiento del motor, se torsiona y flexiona simultneamente.En cuanto a las oscilaciones con torsin, cada cigeal tiene una serie de frecuencias propias de oscilacin, que depende del diseo de sus partes y del material de construccin.Estas frecuencias propias representan como oscila torsionalmente el cigeal cuando se precarga con un par de torsin y despus oscila libremente. Sus diferentes partes giran alternativamente las unas respecto a las otras, pasando de una posicin extrema a la opuesta cclicamente, con un movimiento que se amortigua poco a poco.Si la frecuencia de rotacin del motor (rgimen revoluciones) coincide con la frecuencia de oscilacin con torsin propia del cigeal, se produce la resonancia; esto, incrementandola torsin relativa de las varias partes del cigeal, puede llegar a romperlo.La solucin es adoptar un amortiguador de torsin (dumper), que absorbe la energa detorsin para que sta no afecte al cigeal. Los amortiguadores ms utilizados son detipo volante, unidos al cigeal mediante una junta de goma, o interponiendo un medio viscoso.

Amortiguador de torsin (dumper)

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Para las oscilaciones con flexin, el problema es parecido, pero son ms importantes lasfuerzas, no el par, aplicadas al cigeal, y las relativas flexiones.Estas oscilaciones no son tan importantes como las anteriores, ya que se adoptancigeales con muchos soportes de bancada, reduciendo la longitud de cada volado, loque incrementa la rigidez. Por consiguiente, adems de reducir la flexin con la misma fuerza aplicada, se han elevado los valores de las frecuencias propias.

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motor multicilindrico

par motriz ms regular

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