Análise Cinemática Multicorpos do Mecanismo Biela

Análise Cinemática Multicorpos do Mecanismo BielaManivela, Visando Aplicação em Comando de Válvulas.
João Paulo M. Bento, Maria Alzira de Araujo Nunes, Rita de Cássia Silva.
UnB, Universidade de Brasília, Engenharia Automotiva. Campus Gama - Área Especial de
Indústria Projeção A - UnB, Setor Leste - CEP 72.444-240 - Gama - Distrito Federal.
[email protected], [email protected], [email protected]
Abstract. This paper proposes the study and modeling multibody using
software ADAMS/View, of a four-bar mechanism commonly used in
engineering, due to his simplicity and versatility, the Slider-Crank. For
comparison purposes will be presented in development of this paper, two
forms of this mechanism, the Slider-Crank and the Slider-Crank Unleveled.
And at the end of the paper it can be seen that results are very similar.
Resumo. O presente trabalho propõe o estudo e a modelagem multicorpos
utilizando o software ADAMS/View, de um mecanismo quatro barras muito
utilizado na engenharia, devido a sua simplicidade e versatilidade, o BielaManivela. Para efeitos de comparação serão apresentados no decorrer deste
artigo, duas formas deste mecanismo, o Biela-Manivela e o Biela-Manivela
Desnivelado. E ao final do trabalho pode-se observar que seus resultados são
bastante semelhantes.
1. Introdução
O mecanismo Biela-Manivela é muito utilizado em sistemas mecânicos, como por
exemplo, motores de combustão interna em que este mecanismo é aplicado no comando
de válvulas. Neste caso, as válvulas permitem a entrada de mistura ar-combustível no
motor e a saída dos gases queimados. Enquanto a árvore de comando de válvulas gira,
as válvulas são forçadas a se abrirem por conta dos ressaltos que existem na árvore de
comando (chamados de excêntricos). As molas nas válvulas as empurram de volta a sua
posição inicial (fechadas). Este trabalho é extremamente importante e tem grande
impacto no desempenho do motor em diferentes rotações. [4]
No mecanismo Biela-Manivela, Figura 1, admitem-se somente os movimentos planos.
A manivela (2) movimenta-se apenas com um plano de rotação, a biela (3) admite um
movimento misto, ou seja, de rotação e translação, e o pistão (slider) (4) permite apenas
um movimento de translação retilínea. [3]
Neste trabalho, abordam-se duas diferentes conformações deste mecanismo, o BielaManivela e o Biela-Manivela Desnivelado. No Biela-Manivela, o eixo horizontal do
slider deve coincidir com o mesmo eixo horizontal da ponta da manivela (Fig. 1(a)). Já
no Biela-Manivela Desnivelado (Fig. 1(b)), o eixo horizontal do slider deve estar
defasado no caso considerou-se 40 mm acima do eixo da ponta da manivela.
Figura 1.a) Mecanismo Biela Manivela
Figura 1.b) Mecanismo Biela Manivela
Desnivelado
2. Metodologia de Construção dos Modelos Analisados: Aplicação do
ADAMS/View
Neste item serão apresentadas de uma maneira sucinta as etapas do processo de
construção dos mecanismos mostrados na Figura 1. As principais ferramentas utilizadas
para a construção destes modelos são mostradas na Tabela 1.
Tabela 1. Ferramentas utilizadas para a modelagem.
Peça
Ferramenta
Manivela e Biela.
Link
Slider e Superfície para deslize do slider.
Box
Estas ferramentas necessitam de informações relativa ao tamanho dos componentes que
se desejam modelar. Na manivela as dimensões utilizadas foram: 80 mm de
comprimento, 10 mm de largura e 10 mm de profundidade. Na biela as medidas foram:
175 mm de comprimento, 10 mm de largura e 10 mm de profundidade. E no slider: 40
mm de comprimento, 20 mm de largura e 20 mm de profundidade. Tanto para o BielaManivela quanto para o Biela-Manivela Desnivelado, a manivela tem posição inicial de
30o. Após ser criada a geometria do mecanismo, definem-se as juntas que serão
aplicadas no mesmo. As juntas utilizadas para os dois mecanismos são as mesmas: três
juntas revolutas (são utilizadas para permitir uma rotação, foram utilizadas na união da
manivela com o ground, na união da manivela com a biela e na união da biela com o
slider.), uma junta translacional (junta que permite o movimento do slider de ir para
frente e para trás sobre a superfície criada) e uma junta fixa (tem a função de fixar a
superfície criada no ground).
Após o término desta parte, deve-se inserir uma velocidade angular constante de 30
rad/s. O modelo final é apresentado a seguir:
Figura 2.a) Mecanismo Biela Manivela
Figura 2.b) Mecanismo Biela Manivela
Desnivelado
3. Resultados
Os gráficos a seguir foram obtidos através do Adams/PostProcessor e do Matlab. Em
ambos os modelos, posição inicial da manivela é de 30o graus em relação ao eixo X, e a
mesma gira com uma velocidade angular constante de 30 rad/s no sentido anti-horário.
A primeira análise a ser feita é com relação ao ângulo de variação da biela nas duas
situações. Observamos que a variação da biela nos dois mecanismos é bastante
semelhante, havendo pouca variação do ângulo apenas nos picos.
Figura 3. Comparação entre os dois mecanismos.
A segunda análise feita baseia-se na relação entre a variação do deslocamento do pistão
com a variação do ângulo da manivela. No Biela-Manivela destacamos que o
deslocamento máximo do pistão (255,34 mm) ocorre quando o ângulo da manivela está
em -29,97o, e o deslocamento mínimo do pistão (95,34 mm) ocorre quando o ângulo da
manivela está em 150,50o. Já para o Biela-Manivela Desnivelado o deslocamento
máximo do pistão (252,57 mm) ocorre quando o ângulo da manivela está em -21,38o, e o
deslocamento mínimo do pistão (86,96 mm) ocorre quando o ângulo da manivela está
em 174,57o. Observa-se que ambos os gráficos seguem um mesmo formato, há pouca
discrepância entre eles.
Figura 4. Comparação entre os dois mecanismos.
As Figuras 5 (a,b), 6 (a,b) e 7 (a,b), mostram comparações feitas entre os modelos BielaManivela e o Biela-Manivela Desnivelado, quanto ao posicionamento do pistão. A
Figura 5 mostra o posicionamento inicial do pistão, em ambos os modelos a manivela
tem posição inicial de 30o em relação ao eixo X, a posição inicial do pistão no BielaManivela é de 240 mm, e a posição inicial do pistão no Biela-Manivela Desnivelado é
de 245 mm. A Figura 6 mostra que quando a posição do pistão é máxima no BielaManivela (255,34 mm), a posição do pistão no Biela-Manivela Desnivelado (251,11
mm) não chega a ser a máxima no mesmo instante de tempo. A posição máxima de
deslocamento do pistão no Biela-Manivela Desnivelado é de 252,57 mm. A Figura 7
mostra que quando a posição do pistão é mínima no Biela-Manivela (95,34 mm), a
posição do pistão no Biela-Manivela Desnivelado (90,94 mm) não é a mínima no
mesmo instante de tempo. A posição mínima de deslocamento do pistão no BielaManivela Desnivelado é de 86,96 mm.
Figura 5.a) Posição do Pistão no Modelo BielaManivela com o tempo igual a 0.
Figura 5.b) Posição do Pistão no Modelo BielaManivela Desnivelado com o tempo igual a 0.
Figura 6.a) Deslocamento Máximo do Pistão no
Modelo Biela-Manivela.
Figura 6.b) Deslocamento do Pistão no Modelo
Biela-Manivela Desnivelado, no mesmo instante
de tempo de quando o deslocamento é máximo no
Biela-Manivela.
Figura 7.a) Deslocamento Mínimo do Pistão no
Modelo Biela-Manivela.
Figura 7.b) Deslocamento do Pistão no Modelo
Biela-Manivela Desnivelado, no mesmo instante
de tempo de quando o deslocamento é mínimo
no Biela-Manivela.
4. Conclusão
O presente trabalho apresenta a modelagem em software multicorpos de duas
configurações do mecanismo Biela-Manivela. Este sistema é um clássico modelo de
quatro barras, que representa o funcionamento de diversos sistemas mecânicos
existentes na engenharia. Os mecanismos foram modelados no software multicorpos
ADAMS/View. Observa-se que os resultados obtidos através da simulação entre os
mecanismos Biela-Manivela e Biela-Manivela Desnivelado são bastante semelhantes.
5. Referências Bibliográficas
[1] Gillespie, T.D. (1992), “Fundamentals of Vehicle Dynamics”, SAE Internacional,
Warrendale, USA.
[2] Jazar, N.R. (2008), “Vehicle Dynamics Theory and Application”, Springer.
[3] Departamento De Engenharia Mecânica E Gestão Industrial Da Escola Superior De
Tecnologia
De
Viseu.
“Cinemática
e
Dinâmica
de
Mecanismos”,
http://www.estv.ipv.pt/dep/CinematicaeDinamicadeMecanismos.pdf, Outubro.
[4] Nice, K. (2000). “HowStuffWorks – Como funcionam os comandos de válvulas”,
http://carros.hsw.uol.br/comando-de-valvulas.htm, Outubro.