Curso Mecânica - capitulo_06
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Projeto de MotoresProf. Daniel Maral de Queiroz
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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
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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
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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
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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
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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
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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.
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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.
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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.
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
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
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
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.
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
Ordem dos eventos no motor de dois cilindros
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
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.
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
Motor de quatro cilindros
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
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
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
No motor de seis cilindros a ordem geralmente usada 1-5-3-6-2-4 pois garante um melhor equilbrio naentrada de ar
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
Motor de seis cilindros em linha
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Ordem de ignio e intervalos
Motor de oito cilindros em V
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
intervalos entre ignies Tempo de abertura e fechamento das vlvulas
Espiral de abertura e fechamento das vlvulas
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Definio do tempo para ocorrnciados eventos, ordem de ignio e
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.
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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
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Balanceamento dos motores Desbalanceamento devido as massas rotativas:
Uma possvel fonte de desbalanceamento so os munhes da rvore de manivelas
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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
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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
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Balanceamento dos motores Dinmica do pisto-rvore de manivelas :
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
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Balanceamento dos motores Dinmica do pisto-rvore de manivelas :
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
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Balanceamento dos motores Dinmica do pisto-rvore de manivelas :
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
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Balanceamento dos motores Dinmica do pisto-rvore de manivelas :
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
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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
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Balanceamento dos motores Desbalaceamento devido a massas em movimento alternativo
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.
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Balanceamento dos motores Desbalaceamento devido a massas em movimento alternativo
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.
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Balanceamento dos motores Desbalaceamento devido a massas em movimento alternativo
motor multicilindros. Amplitude das foras de vibrao e momentos
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Balanceamento dos motores Desbalaceamento devido a massas em movimento alternativo
motor multicilindros. Utilizao de balanceadores Lanchester (cancelar as foras de vibrao
secundrias)
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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
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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
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Balanceamento dos motores Torque instntaneo em um motor
IH5288
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Balanceamento dos motores Torque instntaneo menor que o torque mdio (Tave) durante maior parte do ciclo
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Balanceamento dos motores Torque instntaneo motores de 4 e 6 cilindros
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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
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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;
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Balanceamento dos motores Projeto dos volantes
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
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Balanceamento dos motores Projeto dos volantes
Valores do coeficiente
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Balanceamento dos motores Projeto dos volantes
A variao de velocidade obtida da seguinte relao
pk 50=
Em que p a porcentagem de variao de velocidade permitida
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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
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Balanceamento dos motores Toro da rvore de manivelas e amortecedores de vibrao
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
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Balanceamento dos motores Toro da rvore de manivelas e amortecedores de vibrao
Para previnir a vibrao torcional usa-se amortecedores de vibrao montados na polia frontal (polia do alternador) do motor
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Perguntas?