fuerzas sobre el mecanismo biela manivela 555

8/13/2019 Fuerzas Sobre El Mecanismo Biela Manivela 555

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FUERZAS SOBRE EL MECANISMO BIELA MANIVELA

En el clculo de las cargas que actan sobre el mecanismo biela-manivela seconsideran las fuerzas originadas por la presin de los gases ( ) y las fuerzas deinercia debido a las piezas en movimiento ( ) . No se consideran las fuerzas derozamiento . Se considera al crter como un elemento esttico y se asume que elcigeal a velocidad angular constante. Las fuerzas de inercia se subdividen enFuerza de inercia con movimiento alternativ ( ) y en Fuerzas de inercia conmovimiento rotativo ( )

A. Fuerza de presin de los gases ( ) :Para evaluar la fuerzas de los gases debe conocerse la caracterstica de lapresin de gases dentro del cilindro del motor . Esta informacin se obtiene deldiagrama indicado , el cual se construye a partir de la informacin del clculotrmico del ciclo de trabajo , que generalmente se hace para el rgimennominal del motor.


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Para reconstruir grficamente el diagrama presin-giro de manivela ( ) ,conociendo el diagrama presin-volumen ( ) , se determina desplazamientoexacto del mbolo para giros de manivela cada 15 de rotacin partir de la ecuacincorrespondiente . Luego en el eje de las abscisas se ubica este desplazamiento y seobtiene la presin de los gases correspondientes. Este valor es trasladado luego aldiagrama .

Conocida esta informacin se calcula la Fuerza de los gases , para cada posicin de girode la manivela mediante la expresin :


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B. Fuerzas de Inercia ( )

Para determinar las fuerzas de inercia se necesita conocer el valor de la masa de las piezas delmecanismo biela-manivela . A fin de facilitar los clculos , el mecanismo real biela-manivela es reemplazado por un sistema dinmico equivalente de masasconcentradas. Todas las piezas mviles se subdividen en 3 grupos de acuerdo al tipode su movimiento ,

a. Masa del grupo mbolo ( ) :Este conjunto , grupo mbolo , est constituido por las piezas con movimientoalternativo a lo largo del eje del cilindro. Considera la masa del mbolo con losanillos y el buln . Se asume que est concentrada en el eje del mbolo .

b. Masa de la manivela ( ) :Esta considera la masa del mun de biela ( ) conjuntamente con lamasa del brazo de manivela reducida al radio de la manivela ( ) .La masa de la parte central del brazo de manivela ) cuyo centro degravedad se encuentra a una distancia del eje del cigeal , se reduce alradio ,

Finalmente la masa reducida de toda la manivela ( considerando dos brazos )ser :


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c. Masa de la biela ( ) :

La biela tiene un movimiento complejo plano paralelo . Es reemplazadaaproximadamente por un sistema de dos masa estticamente equivalentes. Lamasa , con movimiento alternativo , concentrada en el eje del buln , yla masa , con movimiento rotativo , concentrada en el eje del munde biela.Para que el sistema sea dinmicamente equivalente se debe cumplir :i. Constancia de la masa total ,

ii. Posicin invariable del centro de gravedad de las masas ,

iii. Momento de inercia constante respecto al centro de masas .El momento de inercia del sistema reducido ( ) debe ser igual almomento de inercia de la biela ( ) ,

Sin embargo en las bielas reales , y el valor de es

En los clculos tericos precisos es necesario aplicar al sistemaequivalente un momento corrector de las fuerzas de inercia

Donde , El momento corrector est orientado segn la aceleracin angular de la

biela ( en el primer cuadrante , siguiendo el sentido de rotacin de lamanivela ) . Debido a que el valor de este momento es pequeo


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generalmente se desprecia y solo se cumplen las dos primerascondiciones de equivalencia .

Para la mayora de las estructuras existentes de motores de automvil

se cumple :

CONCLUYENDO:En conclusin todo el mecanismo biela manivela se reemplazaaproximadamente por un sistema de dos masas concentradas unidas

por enlaces rgidos , sin peso : La masa en el punto A que tiene movimiento alternativo ,

La masa en el punto B que tiene movimiento rotativo ,

Para el caso de los motores en V , donde se juntan dos bielas de loscilindros opuestos en el mun del cigeal se debe calcular :

Masas constructivas : y Las masas constructivas y se refieren a las masa del grupo mbolo ( ) yde la biela ( ) respecto a la unidad de superficie del mbolo ( ) :


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y sus valores se eligen de acuerdo a las estructuras de los motores existentes.

Tabla : Masas constructivas de las piezas del mecanismo biela-manivela en

Motores

Masa del mbolo de

aleacin de aluminio

Masa de la biela

De carburador

100 . 150 120 . 200 Diesel

200 . 300 250 .. 350 CLCULO DE LAS FUERZAS DE INERCIA:De acuerdo a como se ha planteado la divisin de las fuerzas de inercia actuantessobre el mecanismo biela-manivela , ahora stas se identificarn de la siguienteforma:

a. Fuerza de inercia con movimiento alternativo ( )b. Fuerza centrfuga de inercia de las masas rotativas ( )

B.1 Clculo de

La fuerzas de inercia con movimiento alternativo , se calcula de la siguientemanera ,

Esta fuerza se presenta como la suma de las fuerzas de inercia de primer orden ( )y fuerzas de inercia de segundo orden ( ) las que varan de acuerdo a la leyarmnica :

Donde :

Las curvas que muestran la aceleracin del mbolo ,

En su respectiva escala y con signo invertido son las curvas de las fuerzas de inerciaalternativas :


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En el sistema del mecanismo biela-manivela la fuerza de inercia con movimientoalternativo se manifiesta en forma de una fuerza libre , de magnitud y signovariables , que acta a lo largo del eje del cilindro .Si el buln del mbolo esta descentrado una distancia con respecto al eje delcilindro , entonces la fuerza de inercia est orientada a lo largo de una recta queatraviesa el centro comn de las masas y entre el eje del cilindro y el ejedel buln . Este desplazamiento es bastante pequeo y se puede despreciar en los

clculos dinmicos.Al mismo tiempo , la fuerza de presin de los gases ( que acta siempre a lolargo del eje del cilindro) origina un momento con respecto al eje del buln.Por accin de este momento vara favorablemente la distribucin de carga sobre lapared del mbolo y se elimina el huelgo entre el mbolo y el cilindro.Para mayor claridad al determinar la magnitud y direccin de las fuerzas de inercia delas masas con movimiento alternativo , es conveniente utilizar el mtodo de losvectores giratorios .La fuerza se calcula como la proyeccin sobre el eje del cilindro del vector

que gira con la velocidad angular del cigeal .La fuerza se calcula en forma anloga , como la proyeccin sobre el eje delcilindro del vector que gira con la velocidad angular .B.2 Clculo de :La fuerza de inercia con movimiento rotativo se calcula de la siguiente manera ,


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La fuerza que acta a lo largo del eje del cilindro se descompone en dos fuerzas : Una fuerza lateral , normal al eje del cilindro ,

Una fuerza dirigida a lo largo del eje de la biela.

Las ecuaciones aproximadas tienen la suficiente precisin para nuestros finesprcticos ( el error relativo es menor del ).De las expresiones anteriores se puede ver que el descentrado relativo ( siendo

) disminuye algo la fuerza normal en la carrera de expansin.El Par Motor ( )

La fuerza puede ser trasladada por su lnea de accin al centro del mun de bielaen la manivela ( ) y descomponindola en dos fuerzas :

: Fuerza Normal , con direccin radial ,


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[ ] : Fuerza tangencial a la circunferencia del radio de manivela

( )

La fuerza se puede trasladar por su lnea de accin hasta el centro del cigeal , ( )La fuerza tambin puede trasladarse al centro del cigeal ( )


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Al agregarse el par de fuerzas y se crea el momento denominadoMomento Torsor o Par Motor .

Entonces el Par Motor ser ,

( )

Este par se transmite a la volante y a la transmisin a travs del cigeal .

Las fuerzas y se pueden sumar y obtenemos la fuerza , la que actarecargando los cojinetes de apoyo del cigeal .

Esta fuerza se puede descomponer en dos fuerzas

: perpendicular al eje del cilindro y

: que acta a lo largo del eje del cilindroLos dos pares de fuerzas que se forman ( con ) y ( con ) cuya sumade momentos se denomina Par de reaccin o Par de Vuelco , el cual acta sobre

las partes inmviles del mecanismo Biela-Manivela .


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El par est dirigido en sentido contrario al par motor y para cumplir con lacondicin de equilibrio de las partes mviles del mecanismo en su conjunto , debe serigual en magnitud a la suma del par motor y del momento del par agregado altrasladar la fuerza de inercia ( ) al eje de rotacin de lamanivela :Realmente : entonces :

Adems del Par de vuelco , sobre las partes inmviles del mecanismo biela-manivelaactan : la fuerza de gravedad , la fuerza de inercia , cuyos signos ymagnitud son variables y la fuerza centrfuga de inercia . Dichas fuerzas sonequilibradas por la reacciones de los apoyos y parcialmente por las fuerzas internasentre mecanismos y piezas individuales del motor .

Luego de haberse calculado los valores de las fuerzas , y para varios valoresdel ngulo de giro se realizan las grficas correspondientes .

La curva que representa a las fuerzas tangenciales simultneamente representa lacurva del par motor en otra escala .


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fuerzas sobre el mecanismo biela manivela 555

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