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quinta-feira, 8 de março de 2012

"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

16 comentários:

  1. Ola Weverton, você cita no texto que a tensão inercial é proporcional ao quadrado da rotação do motor. Isso seria muito importante em um aspirado que atinja giros altissimos. Agora no caso de um turbo que gire apenas dentro do limite de rpm original, porem com alta potencia. Mesmo assim a prioridade nesse caso seria a biela ao inves do pistão?

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    1. Tudo bom, Guilherme?
      Sim, a prioridade continua a ser a biela. Quando se utiliza turbo, vc aumenta a quantidade de ar e, consequentemente, combustível a ser queimado. Mais mistura, maior a pressão de combustão, como vc já supunha. No entanto, a aceleração do pistão também aumenta. Então existe aumento da tensão de potência e da tensão inercial. Caímos novamente no gráfico postado, mudando somente os valores de tensões atingidos para maiores. Então, na fase de combustão, a tensão resultante vai continuar a ser reduzida pela tensão inercial no sentido contrário da tensão de potência e a tensão inercial na fase de exaustão no PMS continuará a ser a maior tensão de todo o ciclo.

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  2. Concordo com o aumento da tensão de compressão devido ao turbo, mas num motor onde o regime de rotação nao foi alterado, como pode ser possível o aumento da aceleração (e consequentemente o aumento da tensão inercial) no conjunto pistão/biela, já que não houve, como disse, aumento de rotação e tampouco aumento do deslocamento (curso) do pistão?

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    1. Hilton, o que cria os esforços inerciais é também a explosão da mistura, essa explosão que causa o movimento. A mistura explode e empurra o pistão para baixo. Se aumentamos a quantidade de mistura com a adição de um turbo, o pistão é empurrado com maior pressão. A aceleração que definimos no post é a aceleração do pistão no seu curso dentro do cilindro. Portanto, existe aumento da aceleração e da desaceleração. A velocidade máxima do pistão continua sendo a mesma.

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    2. Mas se parte de uma velocidade inicial igual que é zero e chega na mesma velocidade final como vc disse, o curso nao mudou ou seja, nao houve diferença de espaço percorrido pelo pistão, como pode ser a aceleração diferente?

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  3. Pelo que entendi, a velocidade máxima(rotação) se mantem, mas o tempo que leva para chegar até ela é menor, ou seja, maior aceleração. Mas, palpite de leigo.

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  4. Cleber, a aceleração do veiculo é maior sim, porém estamos falando sobre a aceleração/desaceleração do pistão. Neste caso, como a velocidade dele nao muda, (rotação original) nao há como dizer que houve um aumento da componente inercial pois esta somente seria alterada com: aumento da velocidade final do pistão (devido ao aumento da rotação máxima do motor), aumento do curso do pistão (o que faria ele ter que percorrer um caminho mais longo no mesmo tempo) ou então no aumento da massa do pistão. Houve um erro de conceito na resposta do Weverton ao Guilherme sobre isso. Lembre-se que quanto menor a rotação do motor menor a aceleração do pistão, se ele chega mais rápido naquela rotação nao importa pois o movimento do pistão bem como a aceleração dele é linear com o aumento da rotação. Sendo assim, a aceleração do pistão com 5000rpm SEMPRE vai ser menor do que a aceleração do pistão com 6000rpm, claro no mesmo motor, e como essa relação é linear, nunca a aceleração do pistão será maior em rotação menor, entendeu?

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    1. Hilton, deixa eu corrigir lá em cima onde eu disse "velocidade máxima do pistão, queria dizer sobre a VMP, que está relacionado ao que vc citou na primeira pergunta (curso e rotação). Leia agora como Velocidade Média do Pistão. A VMP se mantém constante, era o que pretendia dizer.

      A visão do Cleber está correta e é a visão geral dessa nossa conversa. Você não pode analisar somente o pistão sem considerar os efeitos no motor como sugeriu. Lembre-se sempre, quanto maior a aceleração, maior as tensões inerciais.

      Quando adicionamos mistura pelo uso do turbo, maior a energia liberada da queima que reflete em forma de pressão sobre o pistão. Nesse exato momento, o pistão vai acelerar mais que o original até o ponto médio do cilindro e depois vai desacelerar até o PMI e continua o ciclo. Se o pistão acelera mais pela maior pressão sobre o cilindro, obviamente o motor acelera mais rápido também.

      Não existe erro de conceito na minha resposta ao Guilherme. Talvez tenha sido incompleta para seu entendimento.

      Quando você diz “não importa se ele chega mais rápido em uma rotação” está errado. Lembre-se novamente, maior a aceleração maiores as tensões inerciais.

      Está claro que estas dúvidas suas estão surgindo porque você está fazendo uma visualização estática e fraturada do sistema, passe a ver dinamicamente como funciona e facilitará o entendimento. Você disse vários conceitos corretos, mas não soube aplicá-los nessa visão dinâmica e sistemática.

      Obrigado por participar do blog e espero que tenha ficado claro dessa vez.

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  5. Olha, concordo com seus argumentos, estão bem embasados, porém você colocar bielas forjadas primeiro no titulo e dizer bielas forjadas como se as originais já não fossem é um erro. Pois toda biela de carros atuais são feitas com o processo de forjamento. Podendo-ser colocada como bielas mais fortes e resistentes invés de forjadas.

    Só isso que queria comentar. Abraço.

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    1. OK. Em títulos costumo usar um linguajar corriqueiro ou agum tipo de metáfora para atrair mais atenção, mas valeu a observação. Para atender ambos objetivos, vou colocar bielas forjadas entre parênteses.

      Abraço.

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    2. Entendo, pensei em algo assim, mas preferi avisar. Eu acho que ficou bem melhor agora, continue o bom trabalho no blog, que vou continuar acompanhando.

      Abraço.

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  6. Olá, conheci o site hoje e estou acompanhando os artigos e gostaria de saber se os escapamentos "não restritivos" possuem influência nas tensões geradas no sistema.
    Obrigado!

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  7. Odirlei, tudo bom?

    Como já colocou o "não restritivos" entre aspas, acredito que tenha em mente que não existe "não restritivo", existem menos restritivos, mesmo que não houvesse nada de escapamento ou coletor, a própria pressão atmosférica seria uma restrição, muito pequena entretanto. Qualquer tubulação por mais polida e "grande" que seja, apresenta uma perda de carga. Esse comentário foi só para aproveitar a sua deixa e esclarecer um pouco sobre.

    Quanto a sua questão, a resposta é sim. Como a contrapressão imposta a exaustão dos gases serão menores, a aceleração do motor tende a ser maior. Indo mais a fundo, como explicado no texto, a maior tensão inercial é no ponto morto superior na fase de exaustão, ou seja, no momento que a válvula da exautão está aberta, portanto, os sistemas de exaustão "menos restritivos" influenciam diretamente no ponto mais crítico. Entretanto, se o motor continua com limite de rotação próximo ao original e o motor também, não há que se preocupar, as bielas suportarão muito bem esse aumento da tensão inercial. Mas, com o aumento da tensão inercial, existe um aumento da fadiga do material, portanto o ciclo de vida da biela será menor, mas como "ninguém" sabe qual é esse ciclo de vida e sabemos que é um número bem elevado, chegamos ao ponto de não se preocupar com isso.

    Obrigado por participar e espero ter esclarecido sua dúvida.

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    1. Boa noite. Gostaria de participar da conversa dizendo que as tensões atuantes no conjunto pistão-biela, além de serem geradas pelas acelerações e desacelerações, são geradas PELAS DEFORMAÇÕES ATUANTES NO CONJUNTO. Essas deformações têm como causa a força gerada pela pressão média efetiva. Um motor turbo, por admitir mais mistura, irá gerar dentro da câmara de combustão uma maior pressão (e potência) e consequentemente uma maior carga e deformação na biela, INDEPENDENTEMENTE DA ROTAÇÃO, visto que um motor turbo produzirá maior potência numa mesma rpm.
      Grande abraço a todos.
      Marcelo Brites (Marcelo v8) - Eng Mecânico.

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  8. Cara parabéns pelo Blog,
    Sou Engenheiro de Control. e Autom. e estou acabando mestrado na área metalúrgica, e por coincidência, integrante do corsa Clube. Faz tempo que não vi teu tópico lá, alias muito tempo, mas lendo no Flatout lembrei de alguém com problema no cabeçote do 1.8 quando colocou no motor 1.6, (atualmente tenho um corsa C 1.8, e já tive o 1.6) que apesar de andar menos tinha uma pegada muito melhor, não vou falar toda a historia do meu carro, mas se quiser procurar no CC meu tópico procure "corsa C 1.8 completo Ramos".
    Como vi em um comentário sobre as bielas forjadas resolvi comentar, pra deixar mais bonito o blog poderia acrescentar que mesmo a biela original possui como processo de fabricação o método de forjamento, sendo utilizado o termo vulgarmente conhecido por "forjamento" para indicar uma melhoria na resistência a ruptura do material (espera-se assim né?)
    E acrescentar algo antigo, mas novo no brazoca que é as bielas por sinterforjamento em motores de ciclo otto, parece que estão sendo usadas em um motor Fiat 3 cil em desenvolvimento, o que diminui o peso da biela (pela menor densidade do material sinterizado) e aumenta a resistência, principalmente no sentido horizontal onde não se tem no método apenas do forjamento. Com esse aumento diminui a área da secção transversal da biela.
    Abraços

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    1. Felipe, tudo bom?
      Assim que estiver com mais tempo vou dar uma retornada ao Corsa Clube e visitar seu tópico. Estou em mudanças nesse período e ainda nem tenho net em casa.
      Com relação ao termo forjado, até já foi levantado isso nos comentários, por isso está escrito entre parênteses. Você tem toda razão.
      Quanto as bielas por sinterforjamento, eu preciso estudar bem a respeito antes de escrever, não as conheço ainda.

      Obrigado pelas dicas ai. Abraços.

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