Agenda:

• Descripción de la pieza e introducción

• Análisis de esfuerzos estáticos

• Selección de materiales

• Análisis de esfuerzos expuestos a cargas cíclicas

• Sugerencias y conclusiones

¿Qué es una biela?

• Una biela es un componente mecánico usado en un sin número de aplicaciones especialmente en motores que conecta el pistón con el cigüeñal para así hacer posible que los ciclos del motor se hagan realidad.

Introducción:

• Nuestro proyecto se basa en diseñar una biela partiendo desde cargas estáticas hasta exponerlas a cargas cíclicas

• Analizar los esfuerzos para cada uno de los casos

• Aplicar una serie de conocimientos y criterios para establecer un factor se seguridad.

• Hacer sugerencias y recomendaciones al respecto

Fuerzas estáticas:

• La explosión de gasolina con el aire ejerce una fuerza de presión sobre el pistón y así sobre la misma biela. Asumiendo un esfuerzo de 120 Mpa sobre los aros del pistón hallamos esa fuerza teniendo en cuenta el área del tope del pistón:

kNP

Mpam

APA

P

4.532

120*)0375.*(

*2

• Esta fuerza produce un momento de “bending” sobre el cuello de la biela:

• La torsión ejercida por el cigüeñal produce un esfuerzo de tensión en la parte posterior de la biela:

• La fuerza de torsión: T = Rcranckshaft * F = (1.5/2+.5)*0.0254* (532.4KN) = 16.9 KN-m

•

MPA

x

xxbh

mxinminKNxsen

I

My

bending 1954

1051.4

11.88

12

)0254.5.0()0254(.

12

))0254)(.4

1(()/0254.0)(3)(204.532(

8

33

0

Asumiendo biela rectangular:

J

rT *

2/)254.0*2/5.1(*

)0254.0*2/5.1(*20*9.164

minsenmKN

MPaX

5321007.2

14.1107

J

rT *

MPaX

5321007.2

14.1107

τtorsion =

Selección de Materiales:• Biela con material liviano y fuerte, y liviana y menos costosa

• Maximizar índices:

•

3

2

y

3

2

y

3

2

yy

m

y

C

3

2

m

y

C

3

2

m

y

C

3

2

F y L Mc y L

Los materiales elegidos son aleaciones de metal y aluminio

620102.

50332

3

2

y

Properties for aluminum 70-75 Properties for carbon steel 1030Density = 2.81 g/cc = .102lb/in2 Density = .284 lb/in2

σy = 503 MPa σy = 50 x 103 psi = 345 MPa

=

620102.

50332

3

2

y2.173

284.

345 32

3

2

y

Para el caso de costo vs. liviano es igual ya que las categorías de materiales demuestran que el costo relativo es uno, por lo tanto no varia. El candidato escogido fue el aluminio por el máximo valor. En especifico ALUM 70-75 debido a su resistencia y a su uso en este tipo de aplicaciones.

Cargas cíclicas:

• Asumiendo una carga mínima de cero con el pistón a BDC obtenemos los esfuerzos mean y de amplitud teniendo en cuenta un ciclo deseado para nuestro diseño

•Carga máxima de 1200 lb aplicada

Fórmulas:• Sf = kload x ksize x ksurf x ktemp x kreliability x S´e = 38.72 Mpa • A95 = .05 bh = .05 x 1in x 6in = 3in2 (non-rotating)

• d equiv = = 1.98 in

• Size Factor:

• k size = = .81

• Surface Factor:

• k surf = ; as forged

• k surf = 272 x (572)-.995 = .491

• k temp = @ 600°C = .549 (we choose the maximum value of temp. because the heat in the chamber)

• k reliability = @ 99.9999 = .62

σa = kf x = 1.32 x 131.7 MPa = 173.9 MPaσm = kfm x = 1.12 x 117.2 MPa = 131.3 MPa

• Los esfuerzos y “taus” correspondientes corregidos:

Continuación…

J

rTa MPax

xxMPax1.16

1007.2

)0254(.)25.1()23.2(12.13

τa, torsion = KF, shear * T*r/J = = τm, torsion = 16.1 Mpa

2,,,

2,

2,, 3 axyayaxayaxvma x

2,,,

2,

2,, 3 axyayaxayaxvma x

Queremos diseñar para un total de ciclos de (10^7)Sn = aNb Sn = 790.02 x (107)-.062 Sn = 290.8 Mpa

Factor de seguridad:

ut

m

e

a

SS

1

2.1

5729.133

8.2909.1731

Finalmente:Factor de seguridad:“Modified-Goodman”

Nf =

Es considerable el factor y que estamos asumiendo que los esfuerzos en dirección x se anulan y que el esfuerzo mayor lo causa el momento.

Dibujos:

Sugerencias y conclusiones:• El Aluminio resulto ser el mejor que se ajusto a los requerimientos de

nuestro proyecto, debido a que es liviano y fuerte; y sale menos costoso que el acero..

• Las bielas de aluminio son populares en los vehículos, especialmente en los de alto rendimiento.

• Sugerimos que en motores de alto rendimiento recomendamos usar bielas de acero debido a que el aluminio se estira mas que el acero,

• Algunas asunciones que facilitaron los cálculos, fue asumir que Pmin= 0.• El entendimiento de las fuerzas que actuaban en nuestra pieza fue una de

las desventajas de nuestro proyecto, debido a la complejidad del sistema, y a otros factores como el calor y la fricción.

• El mal uso y la falta de lubricación afecta la vida útil del material.• La realización de este proyecto nos ayudo a comprender a que están

expuestos ciertos materiales, y la tolerancia que tienen estos cuando están sujetos a diferentes aplicaciones.