TTULO: PROJETO DE MOTOR DE COMBUSTO INTERNA COM SOFTWARES DE SIMULAOTTULO:

CATEGORIA: CONCLUDOCATEGORIA:

REA: ENGENHARIAS E ARQUITETURAREA:

SUBREA: ENGENHARIASSUBREA:

INSTITUIO: FACULDADE DE ENGENHARIA DE SOROCABAINSTITUIO:

AUTOR(ES): DANIEL DOS ANJOS SAYAOAUTOR(ES):

ORIENTADOR(ES): DANIELA GRINTACI VASCONCELLOS MINCHILLOORIENTADOR(ES):

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1 Resumo Este trabalho se dedicou a estudar a utilizao de softwares de computador

para projeto e anlise de componentes de um motor de combusto interna. Com

benchmarking e aplicao de conceitos de motores [2], um projeto de motor foi feito e

seu trem de vlvulas foi otimizado.

O mtodo dos elementos finitos foi aplicado para prever falhas em um

processo de montagem do eixo comando do trem de vlvulas com uma simulao

esttica de expanso e contrao de componentes por temperatura. Uma anlise

dinmica foi feita para avaliar tenses que causam a falha na possibilidade do choque

do pisto com as vlvulas. Para as anlises, Abaqus, foi utilizado.

2 Introduo A engenharia de simulao assistida por computador possui utilidade no

mercado atual, prevendo falhas na obra de engenharia antes que ocorram e

reduzindo custos com prottipos e tempo de projeto. Esta iniciao cientifica serviu

para o orientado conhecer ferramentas para simulao, a saber, modelao assistida

por computador que possibilita movimento (cinemtica e dinmica) e o mtodo dos

elementos finitos, para verificar tenses e deformaes.

3 Objetivos O objetivo desse projeto foi projetar e estudar o comportamento de

componentes de um motor de combusto interna utilizando softwares de engenharia

assistida por computador.

4 Metodologia O mtodos utilizados para a execuo do trabalho foram desenho assistido por

computador paramtrico, dinmica multicorpos e o mtodo dos elementos finitos para

simular situaes com os componentes. O Mtodo utilizou anlises estticas e

dinmicas.

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Figura 1 Mtodo dos elementos finitos

5 Desenvolvimento

5.1 Benchmarking e projeto de um motor

Para se modelar um motor, o orientado recolheu alguns componentes de um

motor Honda CBR600 Hornett na oficina da faculdade e os mediu com o auxlio de

um paqumetro, fazendo esboos deles no AutoCAD. Com os esboos, modelos em

3D foram feitos no software Creo Parametric.

O conjunto do eixo comando levou cerca de 2 dias para ser medido, esboado

e modelado. O conjunto Pisto Biela, foi um pouco mais trabalhoso, levou cerca de

uma semana para ser medido, esboado e desenhado, em trabalho intermitente. Este

foi modelado em Pro/Engineer, depois foi salvo como formato .STEP para ser

utilizado no Creo Parametric. O virabrequim levou cerca de trs dias para ser

medido, esboado e modelado. Outros componentes menores, como os tuchos,

molas e vlvulas foram medidos e projetados no esquema da montagem. A

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montagem foi feita utilizando-se de graus de liberdade, permitindo ao modelo, simular

seu funcionamento dinmico e cinemtico, no ambiente Simulation.

Figura 2 Modelo medido do motor 600 cc

Com este modelo, foi pensado em se alterar o projeto para se utilizar balancins

flutuantes no trem de vlvula. O projeto [5] utilizou de um software especfico

chamado KinValve, que projeta o curso do balancim e gera o perfil de came para

acompanhar o rolete. O balancim possui menor atrito comparado aos tuchos.

Figura 3 Modelo com balancins flutuantes

Como tendncia de downsizing, os motores esto sendo reduzidos de quatro

para trs cilindros, tambm a utilizao da injeo direta de VCT para recirculao de

gases visa a reduo das emisses e economia de combustvel. Foi feito um projeto

final, dando maior nfase ao trem de vlvulas. O eixo comando agora um tubo com

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cames sinterizados, para reduo de massa e o dimetro dos pistes foram

aumentados, para manter o mesmo volume de cilindrada.

Figura 1 Modelo de motor com trs cilindros

5.2 Simulao da montagem de um eixo comando pelo mtodo dos elementos

finitos

Nos ltimos anos, houve um progresso na tecnologia de produo dos eixos

comandos. Os eixos comandos tradicionais eram forjados ou fundidos, sendo

macios e gerando grandes foras inerciais e perdas por atrito. Reduo de massa

nos componentes do motor gera menores perdas por atrito, aumentando o

rendimento e economia de combustvel. Os novos eixos comandos so tubos, os

cames so elementos sinterizados. A montagem se da pelo resfriamento do tubo e

aquecimento dos cames. Um rob gira o eixo para que os cames sejam montados

precisamente em sua posio.

Para simular a montagem do came no tubo. A anlise ser feita com

elementos tridimensionais que tero sua formulao da prpria biblioteca de

elementos do software utilizado para anlise. Os dados de material importantes a

serem fornecidos so: Mdulo de elasticidade do ao: 210.000 MPa e coeficiente de

Poisson: 0,3.

Os dados de fixao (condies de contorno) que correspondem ao dispositivo

sero aplicados a uma face do tubo, como um engaste, a face externa do came ser

fixada, como se fosse presa pelo rob.

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Os dados de carregamento sero dados pela variao de temperatura

seguindo a lei de deformao linear [3]:

= Equao 1 Sendo L a deformao causada pela diferena de temperatura;

L o comprimento inicial do corpo;

o coeficiente de expanso trmica;

T a diferena de temperatura.

Manipulando-se a equao, para que se parea com o modelo do FEM, com

uma matriz de carregamento igual a uma matriz de rigidez vezes a matriz de

deformao, obtemos a seguinte equao:

= . Equao 2

x Vemos que a matriz de rigidez ir depender da geometria do modelo (L) e do coeficiente de expanso trmica do ao. Este dado deve ser tambm fornecido ao modelo, dado por 11,7.106 (C)1.

Agora, com o modelo vindo do projeto, os procedimentos planejados, os dados

necessrios para as entradas definidos, iremos ao pr-processador para realizar a

simulao. Foi utilizado o Abaqus [4]. O primeiro procedimento foi importar o eixo

comando em formato STEP. Um material foi criado sob nome steel com os dados do

mdulo de Young, coeficiente de Poisson e coeficiente de expanso trmica

previamente citados, uma seo homognea foi dada para as peas com os dados do

material, o componente foi adicionado a montagem.

Um step foi criado como Coupled-temp displacement (analise trmica), um

Predefined Field (condio inicial) foi dado com 26 graus Celsius no step inicial. Para

condies de contorno (Boundary conditions ou BC), uma BC de Encastre em uma

das faces do eixo e na face externa do came foi criada, uma BC de temperatura -100

graus Celsius na face externa do tubo e outra BC de temperatura de 170 graus

Celsius na face interna do came foram aplicadas.

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Para a malha, foi utilizado um seed (distncia unitria entre os ns) de valor 2,

elementos C3D8T, hexadricos foram preferidos em relao a elementos

tetradricos. A malha ficou com 2211 elementos para o tubo e 780 elementos para o

came.

Com os dados de entrada, o "job" (clculo para ser resolvido) foi criado e

resolvido, houve convergncia. Os resultados sero apresentados e discutidos

posteriormente.

Figura 5 Malha da montagem

5.3 Analise dinmica do choque entre pisto e vlvulas

No ano de 2012, na competio nacional de formula SAE, uma falha no motor

ocasionou a perda de pontos no enduro. Ao se abrir o motor na oficina, foi constatado

o seguinte cenrio:

Figura 6 Cabea do pisto danificada por choque com vlvula

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Foi proposto analisar quais as tenses que ocasionaram a falha do material do

pisto, decorrentes pelo choque com as vlvulas. Para isso, uma anlise dinmica foi

feita, para se avaliar tenses em um perodo de tempo. Em aspectos simplificados,

uma anlise dinmica ocorre em funo do tempo, dadas as condies de contorno e

carregamentos, as tenses se propagam em forma de uma onda.

Para a anlise, o primeiro modelo do motor foi utilizado, com a geometria

similar ao motor que apresentou falha na competio.

Aps o planejamento, os dados utilizados para os materiais da anlise foram:

Figura 7 Dados de material

Para determinar a velocidade inicial do pisto, que foi aplicada como condio

de contorno para a anlise, as frmulas do capitulo 2 do livro de John Heywood [2]

foram utilizadas, a figura abaixo mostra como isso foi obtido:

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Figura 2 Determinao da velocidade inicial do pisto

Com a frequncia do pisto do motor em 100 Hz, o perodo se fixou em 0,01 s

e o tempo da anlise foi adotado em 10% desse valor, pois corresponde em um

trecho do deslocamento do motor entre o ponto morto inferior (ver BC na figura

acima) e o ponto morto superior (TC).

Com todos os dados de entrada fixados, o modelo foi importado no software de

pr-processamento. As vlvulas foram fixadas, contato com coeficiente de atrito 0,1

foi adotado entre os componentes, o tipo de step adotado foi Dynamic,Explicit

(anlise dinmica). Todos os dados de condies de contorno previamente citados

neste tpico foram includos, sendo materiais e velocidade inicial do pisto.

A malha foi feita apenas na parte superior do pisto, com 6400 elementos

C3D4, tetradricos, com seed global de 5. Para as vlvulas, 497 elementos C3D4 em

cada vlvula, apenas na sua parte inferior com seed global de 3.

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Figura 9 Malha da analise dinmica

Aps o clculo, os resultados analisados foram os do no momento do impacto. Sero

expostos adiante.

6 Resultados Os resultados da anlise do eixo comando deixou constatar que o processo

de resfriamento do eixo e aquecimento do came com a geometria projetada permite

que haja folga suficiente para a montagem, cerca de 0,5 a 0,7mm. Aps a montagem,

com os componentes unidos por interferncia, a tenso mxima dessa interferncia

fica na ordem de 35 MPa, que no alta o suficiente para risco de falha do material,

com tenso de escoamento maior que 800 MPa.

Figura 10 Resultados da montagem do eixo comando. A esquerda as deformaes causadas pelo aquecimento do furo do came e resfriamento da superfcie externa do tubo. A direita, as tenses com

as peas prensadas uma contra a outra.

Analisando os resultados da simulao do choque do pisto, para um material

com tenso de escoamento avaliado em 240 MPa e tenso de ruptura 300 MPa, estar

submetido a uma tenso na ordem de 1400 MPa em uma rea relativamente

pequena, mesmo que por pouco espao de tempo pode ser responsvel pela falha do

material.

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Figura 11 Resultado das tenses na cabea do pisto, no momento da batida com as vlvulas.

7 Consideraes finais A utilizao do computador para fazer o projeto e as simulaes gerou custo

zero ao projeto, por parte do orientado. Para empresas, o custo seria estimado

apenas em software, hardware e Mo de obra especializada. A utilizao do mtodo

dos elementos finitos possibilitou a anlise de tenses e deformaes de geometrias

complexas, como os elementos de motor vistos aqui. Fatores como o conhecimento

das propriedades dos materiais, a imposio de condies de contorno, tipo de

elementos a serem utilizados e o nmero de elementos na simulao se tornaram

imperativos para a preciso e exatido dos resultados.

O aumento do nmero de elementos nas duas anlises possivelmente

aumentaria a exatido e preciso dos resultados, porm os clculos seriam mais

demorados e necessitariam de um hardware mais potente para efetuar os clculos.

8 Fontes Consultadas [1] Alves Filho, Avelino Elementos Finitos A base da tecnologia CAE, rica, So

Paulo. [2] Heywood, John B Internal Combustion Fundamentals, McGraw Hill, New York, NY,

USA.

[3] Halliday. Resnick, Walker Fundamentos de Fsica 2, LTC, So Paulo.

[4] Getting Started with Abaqus Interactive Edition, 3DS Simulia, Rhode Island,

USA. [5] Haas, Michael - Sistemas de comando de vlvulas para motores de combusto

interna -Desenvolvimento, fabricao, aplicaes, Schaeffler Technologies GmbH &

Co. KG.