"Bielas Forjadas" em Primeiro!

Conheço pessoas que dizem que determinadas preparações automotivas necessitam de bielas forjadas bem antes de se pensar em pistões forjados. Estão corretas? Sim! Mas se perguntar o porque é bem provável que você fique sem respostas. Então, vamos mostrar o conceito por trás desse “disse-que-me-disse” e tentar deixar essa verdade clara.

Inicialmente precisamos entender os esforços que os pistões e bielas sofrem durante seu ciclo. Neste caso, existem basicamente dois tipos de esforços atuantes: Tração e Compressão. Em simples palavras, podemos descrever a Tração como a tensão resultante de forças que tendem a “alongar” um determinado elemento e Compressão, como a tensão resultante de forças que tende a “comprimir”. Ilustrando fica mais claro:

Durante o ciclo do motor, existem dois tipos de tensões que atuam nos elementos citados. A tensão proveniente da inércia do conjunto rotativo e a tensão resultante da explosão da mistura ar-combustível que podemos abreviar como a tensão da potência. A tensão inercial sofre esforços de tração e compressão, enquanto a tensão da potência sofre somente compressão.

A Tensão Inercial resulta da resistência dos elementos ao movimento. Para melhor entendimento vamos imaginar uma linha central que divide o curso do pistão exatamente ao meio como na figura abaixo:

PMS – Ponto Morto Superior e PMI – Ponto Morto Inferior

O pistão sempre acelera do PMS até a metade do curso e desacelera até o PMI e sempre acelera do PMI até a metade do curso e depois desacelera até o PMS. E o ciclo de acelerar e desacelerar continua nos 4 tempos dos motores, neste caso ciclo Otto. Exatamente na metade do curso, a aceleração é nula e a velocidade é máxima e nos PMS e PMI, a aceleração é máxima e a velocidade é nula. Quanto maior a aceleração, maior a tensão inercial. Quando existe a aceleração, o conjunto pistão/biela sofre por tração e quando existe a desaceleração, o conjunto pistão/biela sofre por compressão.

A maior tensão inercial por tração induzida na biela ocorre no PMS na fase de exaustão, pois nesta fase não existe nem mistura nem gases confinados no cabeçote para fazer esforço contrário e diminuir o esforço de tração e ambas as válvulas de exaustão e admissão encontram-se abertas. Enquanto a maior tensão de compressão ocorre no PMI, após as fases de admissão e explosão.

As tensões inerciais são diretamente proporcionais ao quadrado da rotação do motor (RPM). Exemplificando, se o motor aumenta sua rotação duas vezes, a tensão inercial aumenta quatro vezes. Se o RPM aumenta 3 vezes, a tensão inercial aumenta 9 vezes! As tensões inerciais são extremamente altas. E esse parágrafo nos faz perceber, o quanto pode ser importante bielas forjadas em uma preparação aspirada onde aumentamos a rotação do motor original.

A Tensão Potencial é originada da explosão dos gases na câmara de combustão e aplicada diretamente sobre os pistões. Como dito anteriormente, essa tensão é somente compressiva. Os pistões transferem os esforços de compressão para as bielas.

Contudo, todas essas tensões devem ser analisadas em conjunto e não separadamente como fizemos até o momento. Assim, analisemos a relação das tensões inerciais e potencial na metade superior do curso no tempo de explosão:

A tensão inercial é de tração até a metade do curso e a tensão de potência é sempre compressiva. Portanto, as tensões têm sentidos contrários na mesma direção, o que reduz a tensão resultante no conjunto pistão/biela. Apesar da tensão de potência ser bem maior que a tensão inercial, esta última compensa as tensões e diminui a tensão resultante. Então, podemos concluir que, ao contrário do que muitos poderiam pensar, a maior tensão que o conjunto pistão/biela sofre não é na fase de explosão da mistura ar-combustível e sim na fase de exaustão, como dito acima.

Concluímos, então, que a maior tensão do ciclo é inercial no PMS na fase de exaustão. A tensão inercial é a mais prejudicial, já que ocorrem esforços de tração e compressão, o que pode levar a falha por fadiga. Nas tensões compressivas, não existe fadiga, já que só existe compressão. Nos pistões só ocorrem as tensões de potência, somente compressão e como essa tensão potencial só ocorre na fase de explosão, comentada acima, o pistão não sofre com a maior tensão do sistema, ao contrário da biela.

Portanto, em seu projeto turbo ou aspirado, preocupe-se inicialmente com as bielas. Se o seu motor estiver corretamente acertado e com bielas e pistões originais, a biela tem que falhar primeiro. Se acontecer algo nos pistões, não foi questão de potência exagerada e sim algum erro de acerto, montagem, etc.

Bibliografia:

1. Bell, Corky. "Maximum Boost - Designing, Testing and Installing Turbocharger System".
2. www.mspc.eng.br