Curso Mecânica - capitulo_06

Projeto de MotoresProf. Daniel Maral de Queiroz

Consideraes Gerais Primeiro passo no projeto de motores: definio da

potncia de sada nominal e da rotao nominal. Fator de carga:

sadadepotnciaMximamdiasadadePotncia

cargadeFator =

Motores de tratores, caminhes pesados e outrosveculos utilitrios so projetados com fator de cargamais elevado que motores de automveis

Consideraes gerais Motor de automvel: usa apenas uma frao da

potncia mxima disponvel durante maior parte do tempo

Motores de automveis: precisa acelerar at altasrotaes e usa a potncia mxima por curtos perodosde tempo

Por exemplo, a mxima potncia produzida quando a rotao atinge 5000 rpm (durante uma ultrapassagem).

Na maioria do tempo um fator de carga de 0,3 e rotaode 2000 rpm durante o deslocamento em estradas

Consideraes gerais Motores de tratores trabalham com rotao em

torno de 2000 rpm com um fator de cargaprximo a um por longos perodos de tempo quando esto tracionando um implemento

A rotao nominal dos motores de automveisso por isso bem maiores que as rotaesnominais dos motores de tratores

Consideraes gerais Definidas a potncia nominal e a rotao nominal do

motor, calcula-se a cilindrada do motor usando a equao:

ee

bbme ND

Pp

=

000.120

Em que: De = cilindrada do motor, L Pb = potncia ao freio do motor, kW Ne = rotao do motor, rpm pbme = presso efetiva mdia ao freio, kPa

Consideraes gerais Na equao:

ee

bbme ND

Pp

=

000.120

Deve-se escolher uma presso efetiva mdia ao freio aceitvel. Geralmente trabalha-se com valores de pbme na faixa de 700 a 900 kPa.

Definida a cilindrada do motor (De), o projetista deve definir o nmero de cilindros que corresponda a um tamanho razovel do pisto

A escolha da razo entre o dimetro do cilindro e o curso do pistopermite ento a determinao do dimetro do pisto e do curso do motor

Consideraes gerais A escolha da relao entre dimetro do pisto e curso do pisto

envolve certas consideraes de projeto. Baixa relao entre dimetro do pisto e curso do pisto permite

maior razo de compresso e consequentemente obtm-se eficincia mais elevada.

Para uma dada razo de compresso e um determinado volume deslocado pelo pisto: relao entre dimetro do pisto e curso do pisto mais elevada significa

maior relao rea superficial/volume significando maior perda de calorpelas paredes do motor

Motores com menor curso significa que o pisto se desloca menos no interior do cilindro e por isso tm menor perda por frico

Motores com relao entre dimetro do pisto e curso do pisto maiselevada permite o uso de vlvulas maiores facilitando a entrada de ar e gerando mais potncia.

Consideraes gerais Geralmente utiliza-se relao entre dimetro do pisto e curso do

pisto na faixa de 0,84 a 0,96. Entretanto, existem motoresprojetados com relao entre dimetro do pisto e curso do pistoto baixa quanto 0,79 e to alta quanto 1,30.

O projeto do motor foi apresentado como um processo de clculopasso a passo.

Na realidade, o projeto de um motor envolve um procedimentointerativo e requer a tomada de deciso a cada passo. Por exemplo, arrendondamentos podem ser necessrios, a relao entre dimetrodo pisto e curso do pisto adotada s vezes precisa ser modificadapara obter dimetros de pisto mais apropriado.

Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e

intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos

O motor no funciona a no ser que os seguintes eventos ocorram no momento certo durante a rotao do motor:

Abertura e fechamento das vlvulas Emisso da centelha nos motores do ciclo Otto ou incio da injeco de

combustvel nos motores de ignio por compresso (ciclo Diesel) A ignio nos cilindros devem obedecer uma certa ordem. Existe uma conveo para numerao dos cilindros: geralmente os

cilindros so numerados da polia (alternador) para o volante do motor (parte de trs).

Nos cilindros em linha, os cilindros so numerados na sequncia emque as bielas so conectadas na rvore de manivela

Motores em V podem ser numerados de duas formas: seguindo a sequncia em que so conectadas as bielas rvore de manivela ounumerando-se primeiramente o grupo de cilindros do lado direito e depois os do lado esquerdo.



O sentido de rotao padro dos motores o sentido horrio para um observador colocado na frente do motor.

Aumentando-se o nmero de cilindros produz-se um fluxo de potnciamais uniforme reduzindo o intervalo entre as ignies. O intervalo entreas ignies dado por:

n

cyAFI = 180

Em que: AFI = intervalo mdio entre as ignies em graus de rotao da rvore

de manivelas; cy = 2 para motores de dois tempos e 4 para motores de quatro tempos n = nmero de cilindros do motor



A ordem de ignio simplesmente a ordem dos cilindros na qual as ignies acontecem.

Nos motores de dois cilindros: a ordem

O intervalo mdio entre ignies de 360o. Entretanto, devido aoarranjo da rvore de manivelas, o intervalo entre ignies no constante.

21



Ordem dos eventos no motor de dois cilindros



Num motor de trs cilindros: a ordem 1-2-3 provoca um intervalo no uniforme dasignies por isso utiliza-se a ordem 1-3-2

O intervalo entre as ignies no motor de trscilindros de 240o.



Motor de quatro cilindros



Mais de uma ordem de ignio possvel. A rvore de ordem de ignio usada para

representar todas as opes rvore de ordem de ignio para o motor de seis

cilindros



No motor de seis cilindros a ordem geralmente usada 1-5-3-6-2-4 pois garante um melhor equilbrio naentrada de ar



Motor de seis cilindros em linha



Motor de oito cilindros em V


intervalos entre ignies Tempo de abertura e fechamento das vlvulas

Espiral de abertura e fechamento das vlvulas


intervalos entre ignies Tempo de abertura e fechamento das vlvulas

O momento ideal de abertura e fechamento das vlvulas depende da rotao do motor.

Em baixas rotaes o ideal que a abertura e fechamento acontea prximo ao final de cada tempo (prximo aos pontos mortos superiores e inferiores.

Em altas rotaes a abertura e fechamento dasvlvulas deve ocorrer mais longe dos pontos mortos.

Balanceamento dos motores Fontes de desbalanceamento dos motores:

Massas rotativas Massas em movimento alternativo Flutuaes da velocidade angular resultante dos

pulsos de torque Toro da rvore de manivelas devido aos pulsos de

torque

Balanceamento dos motores Desbalanceamento devido as massas rotativas:

Uma possvel fonte de desbalanceamento so os munhes da rvore de manivelas

Balanceamento dos motores Desbalanceamento devido as massas rotativas:

Balaceamento esttico e dinmico Motor de dois cilindros: apresenta balanceamento

esttico, mas no dinmico (foras geradas em cada munho esto separadas por um distncia igual distncia entre os pistes)

Balanceamento dinmico conseguido utilizando-se contrapesos instalados opostos ao munhes.

Balanceamento dinmico feito em mquina de balanceamento

Balanceamento dos motores Dinmica do pisto-rvore de manivelas :

Movimento do pisto no interior do cilindro

[ ]

+=

2

sinLR11

RL

cos1RS

Em que, S = deslocamento do pisto a partir do PMS, m R = raio da rvore de manivela, m = ngulo da rvore de manivela, radianos,

medido a partir do PMS L = comprimento da biela


A equao

[ ]

+=

2

sinLR11

RL

cos1RS

Pode ser simplicada usando sries de potncia parasen

L2R

cos1RS 2

+=

Diferenciando em relao do tempo, obtm a equao para a velocidade do pisto:

+=

+== 22dt

dcossen2

L2R

dtd

sendtdS

senL

RsenRRRv

N

=

602 pi


Derivando a equao da velocidade em relao a e igualando a zero, obtm-se o ngulo na qual a velocidade mxima

++

= 2

28114

arccosLR

RL

Geralmente L/R = 3, assim, a mxima velocidade ocorre quando igual a 1,27 e 1,31 radianos (73 a 75 graus)

Diferenciando a equao da velocidade em relao ao tempo obtm-se a equao para acelerao a em m/s2:

+== 2coscos

dtdv 2

LRRa


Usando a segunda lei de Newton, obtm-se a fora de inrcia do pisto

A biela no analisada separadamente, parte da sua massa transferida para o pisto e parte para a rvore de manivelas

+== 2coscos2

LRRmamF


cc mLb

m =1

cc mLbL

m

=2

Em que: mc = massa da biela, kg mc1 = massa transferida para o pisto, kg mc2 = massa transferida para a rvore de

manivelas, kg b = distncia entre centro

do munho e o centro de gravidade da biela, m

Balanceamento dos motores Desbalaceamento devido a massas em movimento alternativo

motor monocildrico Parte das foras originadas pelo movimento alternativo do pisto pode

eliminada acrescentando-se contrapesos na biela. A fora total na direo x (direo do movimento do pisto)

( ) ( ) cos2coscos 2221 ++

++= Rmm

LRRmmF cecpx

Em que: mp = massa do pisto mais do pino do pisto, kg me = massa equivalente da rvore de manivelas, kg

RRmRmRm

mbcbacaep

e

+=

22

Em que: mcp = massa do munho, kg mca = massa do sistema de suporte do munho, kg mcb = massa dos contrapesos, kg R = raio da rvore de manivelas, m Ra = raio do centro de gravidade do mca, m Rb = raio do centro de massa do mcb, m


motor monocildrico Fora na direo y (perpendicular a direo x):

( ) senRmmF cey += 22 Fx tem dois componentes, um na frequncia de rotao da rvore de

manivelas (fora de vibrao primria) e outro na frequncia duas vezes maior do que a de rotao da rvore de manivelas (fora de vibrao secundria):

Pela equao:

( ) ( ) cos2coscos 2221 ++

++= Rmm

LRRmmF cecpx

RRmRmRm

mbcbacaep

e

+=

22

pode-se usar grandes valores de contrapesos (mcb) para tornar me negativo e cancelar a fora de vibrao primria, mas isso ir gerar grande valor para Fy.

Nos motores monocildricos os contrapesos so projetados para reduzir metade de Fx.


motor monocildrico e multicilindros As foras de oscilao (nas direes x e y) tm componentes em duas

frequncias As foras primrias ocorrem na frequncia de rotao do motor As foras secundrias ocorrem na frequncia duas vezes maior que a

de rotao do motor Os contrapesos so dimensionados para cancelar metade das foras

verticais de vibrao primrias, grandes massas aumenta as foras laterais primrias a um nvel inaceitvel

As foras Fx so somas juntas quando se tratar de motores multicilindros considerando a defasagem de ngulo entre cada cilindro

Balanceadores Lanchester so usados em motores de quatro cilindros para neutralizar as foras secundrias. Nos tratores o motor faz parte do chassi e o balanceador protege o operador da vibrao secudria.


motor multicilindros. Amplitude das foras de vibrao e momentos


motor multicilindros. Utilizao de balanceadores Lanchester (cancelar as foras de vibrao

secundrias)

Balanceamento dos motores Momentos devido s foras de inrcia

So momentos provocados pelas foras de inrcia Os momentos tendem a fazer o motor a girar em torno do eixo y

(coincidente com a linha de centro a rvore de manivelas). Nos motores de trs cilindros tm sistema para balancear metade do

momento primrio pelo uso de contrapeso na polia frontal (polia do alternador)

Entretanto, os contrapesos conectados polia geram momento em torno do eixo Z

Balanceamento dos motores Torque instntaneo e volantes

O torque instntaneo resultado do produto de Qt(produzida por Fp) por R.

=

22

2

2

1cos

senLR

senLR

FQ

p

r

sen

senRLRF

T

p

+= 2

2

2

cos1

Fora radial (Qr) gerada a partir de Fp

Balanceamento dos motores Torque instntaneo em um motor

IH5288

Balanceamento dos motores Torque instntaneo menor que o torque mdio (Tave) durante maior parte do ciclo

Balanceamento dos motores Torque instntaneo motores de 4 e 6 cilindros

Balanceamento dos motores Projeto de volantes para motores

O torque mdio igual ao torque aplicado sobre o motor Quando o torque mdio produzido pelo motor cai abaixo do

torque aplicado, o motor morre Quando o torque instntaneo maior que o torque aplicado ao

motor, o volante acelera e armazena energia Quando o torque instntaneo menor que o torque aplicado ao

motor, o volante fornece energia cintica

Balanceamento dos motores Projeto dos volantes

O momento de inrcia de massa do volante pode ser estimado pela equao:

22900

e

f NkEI

=

pi Em que:

If = momento de inrcia necessrio, kg.m2 Ne = rotao do motor, rpm E = energia cintica transferida k = coeficiente de variao de velocidade;


A energia cintica transferida pelo volante estimada por

WE = Em que:

= coeficiente dado por tabela W = trabalho indicado por revoluo, J/rev

O trabalho indicado por revoluo calculado por:

me

b

eNPW

=

60000

Em que: Pb = potncia ao freio, kW em = eficincia mecnica, decimal (estimada em 0,8 quando em plena

carga


Valores do coeficiente


A variao de velocidade obtida da seguinte relao

pk 50=

Em que p a porcentagem de variao de velocidade permitida

Balanceamento dos motores Toro da rvore de manivelas e amortecedores de vibrao

O torque instntaneo tende a torcer a rvove de manivela A flexibilidade de toro da rvore de manivelas acoplada com a

inrcia do volante formam um sistema massa-mola torcional A frequncia natural de oscilao do sistema depende da rigidez

torcional da rvore de manivelas e da inrcia do volante Quanto mais longo for a rvore de manivelas e mais pesado for o

volante menor a frequncia natural de vibrao torcional do sistema


A curva de torque no uma senide e por expanso de sries de Fourier pode ser representada pelo somatrio da frequncia fundamental mais outras ondas senoidais com frequncia mltipla da frequncia fundamental.

Essas vibraes de alta frequncia podem-se aproximar da frequncia natural e provocar a fratura da rvore de manivelas.

Esse problema maior em motores com rvores de manivelas mais longas (motores de seis cilindros em linha)

O problema corrigido montando um pequeno volante na frente da rvore de manivelas usando uma conexo flexivel


Para previnir a vibrao torcional usa-se amortecedores de vibrao montados na polia frontal (polia do alternador) do motor

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