OPTIMO DISEÑO DE UNA BIELA PARA UN ALTO

REDIMIENTO

Juan Carlos Avilán Forero

30 de mayo del 2008

Fundación universidad América

RESUMEN

El objetivó de este articulo es analizar las cargas a las que se somete una biela de un motor de alto rendimiento y observar su comportamiento. Se diseñara las bielas utilizando medidas reales y se modelaran en el programa SOLID EDGE programa tipo CAD. De acuerdo a las fuerzas que se somete la biela se utilizara el programa ALGOR que utiliza el análisis tipo FEA para analizar el comportamiento. La idea es analizar dos de las tres secciones transversales que existen en los diseños de bielas para identificar cual es el más apropiado para las altas exigencias de un motor de alto rendimiento.

PALABRAS CLAVES

Biela

Forjado

Maquinado

Sección transversal H

Sección transversal I

Acero AISI 4340

Presiones

Relación de compresión

Angulo de máxima carga

Fuerza ejercida por la combustión

Restricciones del movimiento de la Biela

Esfuerzo Máximo

Criterio de von Mises

Esfuerzo normal

Factor de seguridad

Desplazamientos

ABSTRACT

The purpose of this article is to analyze two connecting rods for a racing engine. It exist tree types of beams for connecting rods, but for this article only two beams are going to be analyze, H and I. To do the analysis first we create the connecting in a CAD program for this case SOLID EDGE, then we calculate the way a rod works and what forces act on it, but having in mind that this rod is going to be in a racing engine which have higher stress demands that in a normal engine. Finally with a FEA program for this case ALGOR we simulate how the rod behaves with the forces that are applied to it.

KEY WORDS

Connecting Rod

Forged

Billet

H beam

I beam

Steel AISI 4340

Pressure

Compression Ratio

Maximum Load angle

Combustion forces

Rod movement restrictions

Maximum Stress

Von Mises yield criterion

Safety Factor

Displacements

INTRODUCCION

En el deporte automotor todos los componentes del carro son llevados al límite para sacar sus máximas prestaciones y obtener el mejor desempeño en la pista. Para este articulo hablaremos exclusivamente de la planta de poder “el motor”. Los motores que se utilizan para impulsar los carros provienen en su mayoría de los carros de producción por este motivo sus componentes internos no están diseñados para ser exigidos 2 a 5 veces sus capacidades originales, por este motivo cuando se modifica un motor se aplican dos factores importantes: 1 reducción de peso, 2 mejor diseño. La reducción de peso asegura una obtención de mayor potencia y menor masa inercial que implica menor esfuerzos, el mejor diseño nos asegura seguridad de que podemos llevar al máximo las prestaciones del conjunto sin que este falle.

Uno de los componentes internos del motor que principalmente se cambian son las bielas. El incremento de poder que se genera en el motor puede provenir de un cambio en la relación de compresión, aumento de masa

aire/gasolina, aumento de revoluciones, aditivos especiales, combustible con mayor energía explosiva, etc. Cualquiera que sea el método la biela es expuesta a este incremento de poder no directamente puesto que el pistón es el que recibe la fuerza explosiva pero es la biela quien recibe esta fuerza y esta encargada de transmitirla al cigüeñal. La posición en la cual recibe la fuerza es crítica debido a que forma un ángulo en el cual la fuerza no actúa en una sola dirección se puede descompone en los 3 ejes coordenados. Por este motivo a través del tiempo se han diseñado diferentes perfiles estructurales o secciones transversales para suplir estas necesidades y darle una seguridad interna al mecanismo. La industria Automotriz a puesto en la mayoría de sus diseños de motor el perfil I en sus bielas, pero la el deporte automotor en búsqueda de un mejor rendimiento y mayor seguridad en sus componentes a diseñado perfiles en H y +. No obstante no se ha establecido claramente que tipo de perfil puede ser el ideal para un motor de competencias. Por este motivo en este articulo se modelara una biela con perfil H y otra con perfil I, para ambas se utilizara el mismo material y fuerzas a las que se somete y así observar cual puede resistir más y por ende ser ideal para los motores de alto rendimiento.

MARCO TEORICO

Biela:

La biela es una pieza interna de un motor de combustión interna. Su función es conectar el Pistón al cigüeñal, se diseñan con una forma específica para conectarse entre las dos piezas. Su sección transversal o perfil puede tener forma de H, I o +. El material del que están hechas es de una aleación de acero o Titanio o Aluminio. En la industria automotor todas son producidas por

forjamiento, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediante maquinado.

Secciones transversales:

Las bielas se diseñan con un perfil estructural tipo I, H y +. El perfil mas utilizado es el tipo I.

Acero AISI 4340:

Acero de baja aleación y medio carbono.

Porcentaje en peso

C 0.37-0.43

Cr 0.7-0.9

Fe 96

Mn 0.7

Mo 0.2-0.3

Ni 1.83

P Max 0.035

S Max 0.04

Si 0.23

Propiedades físicas

Densidad 7.85 g/cc

Propiedades Mecánicas

Dureza 95 Rockwell B

Esfuerzo de tensión (Máximo)

745 MPa

Esfuerzo de tensión (Admisible)

470 MPa

Porcentaje de alargamiento

22%

Reducción de Área 50%

Modulo de elasticidad

205 GPa

Modulo de Volumen 140 GPa

Relación de Poisson 0.29

Modulo de corte 80 GPa

Especificaciones del motor

B18C1

No. Cilindros 4

Cilindrada 1800 cc

Diámetro y carrera 80 x 89 mm

Relación de compresión

11.3

Potencia 178 Hp @ 8200 rpm

Biela tipo H

Diámetro mayor 49 mm

Diámetro menor 19 mm

Distancia entre centros 130 mm

Área min. Sección transversal

187.46 mm2

Biela tipo I

Diámetro mayor 49 mm

Diámetro menor 21 mm

Distancia entre centros 130 mm

Área min. Sección transversal

118.148 mm2

Análisis del mecanismo

Como se puede ver en el diagrama el mecanismo interno de un motor esta compuesto por 4 elementos. 1 el bloque, que es la tierra. 2 el cigüeñal que tiene un movimiento de rotación. 3 la biela, que tiene un movimiento de traslación en la parte

superior y rotación en la parte inferior. 4 el pistón que tiene traslación.

Un motor tiene 4 tiempos importantes 1 Admisión 2 Compresión 3 Explosión 4 Escape. Durante estas 4 estepas el mecanismo sufre diferentes cargas y en diferentes ángulos pero existe un punto

donde existe una carga máxima y es en ese punto de donde tomares esos datos para analizarlos después.

Cuando el pistón se encuentra comprimiendo la mezcla 10° antes para llegar al PSM la chispa se activa, provocando que la mezcla comience quemarse y cuando llegue al PSM esta fuerza explosiva que se esta liberando se comprima y debido a las fuerzas inerciales el mecanismo sigue avanzando y al encontrarse a 10° después del PSM es cuando toda la

fuerza es liberada.

Este seria el esquema del momento cuando ocurre la máxima carga al sistema.

Formulas y cálculos de las fuerzas

Para saber cuanto es la fuerza que produce la combustión del combustible hay tener en cuenta los siguientes factores.

1. Relacion de compresión

Para obtener la relación de compresión se divide el volumen total del cilindro sobre el volumen de la cámara de combustión.

2. Presión Atmosférica

La presión atmosférica a nivel de mar es de Pa = 15 PSI o 103.422 KPa

3. Área del pistón

El primer paso es multiplicar la relación de compresión por la presión atmosférica puesto

que esto es la cantidad de veces que se comprime la presión atmosférica en la cámara de combustión.

Como la mezcla se detona esto produce que la presión aumente de 3 a 5 veces.

Después de encontrar esta presión se introduce esa presión en la ecuación de presión y se despeja la fuerza.

ANALISIS DE RESULTADOS

Después de hacer los cálculos debidos se calculo que la fuerza máxima es de 29368.642 N que equivale a 2.99 Toneladas.

Para el primer análisis se tomo la biela de perfil H.

Se modelo la biela es SOLID EDGE

Después de modelar la biela se analizo utilizando el programa ALGOR. En el programa ALGOR se fijaron todos los datos

correspondientes a la biela para que simulara el comportamiento de la biela al ser sometida a la fuerza máxima.

Debido a que la fuerza ocurre a los 10° Después del PSM la fuerza que se ejerce se descompone en los vectores correspondientes, para este caso en el eje z y x.

Los resultados muestran que según el criterio de von Mises el máximo esfuerzo que sufre la biela es de 587.47 MPa si comparamos este resultado con el esfuerzo de tensión admisible es de 470 MPa lo que muestra que el material se deformara de forma plástica, pero este esfuerzo ocurre solo en un punto muy pequeño de la biela en la rosca interna de la biela.

Pero el esfuerzo que sufre el perfil de la biela es de 320 MPa por lo tanto la biela tendrá una deformación elástica y mantendrá sus propiedades.

Se puede observar que los esfuerzos tratan de concentrarse en los puntos de unión del perfil con los cilindros.

El desplazamiento máximo que sufre la biela es de 0.206 mm lo que demuestra que la biela tiene una deformación admisible y

muestra que al no ser tan rígida puede presentar menos fatiga al absorber parte de la fuerza que se le aplica.

El factor de seguridad de la biela es de 2.19 el cual es un factor de seguridad razonable para una pieza de un motor convencional pero para las altas exigencias de un motor de alto rendimiento es un factor de seguridad no muy alto y el ideal seria de 3.5 a 4.

Se puede observar que la biela de sección transversal H se comporta bien antes las cargas a las que se somete.

Ahora analicemos que ocurre con la biela de perfil en I

Este es el tipo de biela que traen convencionalmente los carros, observemos que pasa cuando se somete a la misma fuerza que la anterior biela.

El fuerzo máximo según el criterio de von Mises fue de 1099.604 MPa, y se generaba en la parte inferior de la rosca.

Como se puede ver la pieza esta sometida a un esfuerzo 400 MPa, se puede ver que esta marcando mayor esfuerzo que la biela tipo H.

Los esfuerzos son altos en la mayoría de toda la biela pero trata de concentrarse los esfuerzos más altos en las uniones del perfil con los cilindros aunque no están notorios como en la anterior biela.

No obstante los desplazamientos de la biela son casi igual de bajos a la anterior biela.

El mayor desplazamiento es de 0.247 mm que es casi el mismo desplazamiento que tuvo la anterior biela y se puede observar como el desplazamiento estuvo de acuerdo con el ángulo que se descompuso la fuerza.

El factor de seguridad de para este tipo de biela dio un valor 0.997 en la mayoría de la pieza lo que indica que tiene un factor de seguridad muy bajo tanto, se puede ver que a diferencia de la anterior biela los tornillos también quedan con factor de seguridad igual que al de toda la biela mientras que en el

anterior diseño lo tornillos quedaban con un factor de seguridad muy alto.

CONCLUSIONES

Se pusieron en las mismas condiciones ambas bielas, misma carga y material, y se obtuvo resultado diferentes mostrando que si existe una diferencia notoria entre un tipo de perfil y el otro.

Si la biela de perfil I la sometiera a las cargas de un motor estándar los resultandos serian favorables, es decir los esfuerzos no serian altos y el factor de seguridad seria mayor por lo tanto seria ideal para esas condiciones, es decir la biela esta diseñada correctamente puesto que se diseña para las prestaciones normales de un motor pero no se puede incrementar las exigencias puesto que no seria segura.

Observando mas detenidamente la biela tipo I llega a tener un área mínima de sección transversal mas pequeña que la H 69.312 mm2 esto se debe a que el cuello de la biela se va reduciendo desde la base, mientras que la biela tipo H mantiene de forma uniforme su anchura desde la base hasta el cuello, lo que le otorga una mayor resistencia y distribución de los esfuerzos.

A pesar de que la biela tipo I tiene una geometría mas compleja puesto que fue forjada, esta característica no le dio ninguna ventaja que a la otra biela que fue maquinada. La única diferencia es que debido a que fue forjada la estructura interna de la biela la hace mas dura y dúctil al momento de algún impacto tendera a doblarse mas no a quebrarse mientras que la biela tipo H tendera a quebrarse.

Se puede concluir que si existe una diferencia notoria entre el perfil H e I. Pero no obstante esto no demuestra que la biela H sea superior pueden existir otras condiciones las cuales pueda mostrar que el perfil I resiste más. Por lo tanto se puede concluir que para este motor Honda B18C1 con las modificaciones que tiene y al régimen de revoluciones que gira la biela con sección transversal tipo H es la ideal.

BIBLIOGRAFIA

“Physics In an Automotive Engine”, C Johnson, Physicist, Physics Degree from Univ of Chicago, http://mb-soft.com/public2/engine.html, 31 /05/08

AISI 4340 http://www.matweb.com/search/DataSheet.aspx?MatID=7755&ckck=1, 29/05/08

“Connecting Rod Optimization for Weight and Cost Reduction”, (articulo PDF) Pravardhan S. Shenoy and Ali Fatemi, 2005

“Dynamic Load Analysis and Optimization of Connecting Rod”, Shenoy, Pravardhan S. The University of Toledo, 2004