Orientador: Auteliano Antunes dos Santos Júnior / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-16T15:41:43Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Idehara_AnneliseYuiko_M.pdf: 2161496 bytes, checksum: 55c604cc3cef545df951f0fbb8f2af19 (MD5) Previous issue date: 2009 / Resumo: Este trabalho tem como objetivo a análise do fenômeno de vibração na direção longitudinal de árvore de manivelas em motores de combustão interna, o cálculo de esforços sobre o mancal e o cálculo dos deslocamentos causados pela dinâmica do virabrequim. Essa vibração é apontada como uma das causas de desgaste precoce dos componentes acoplados ao virabrequim e do próprio componente. Reduzir essa vibração contribui para o aumento da vida útil e eficiência. A formulação proposta para estudo da dinâmica da estrutura é o modelo de múltiplos graus de liberdade com massas e inércias concentradas. Para o cálculo dos esforços de reação dos mancais, a equação de Reynolds é resolvida por diferenças finitas. Além disso, o programa comercial Excite (AVL) é utilizado para aferir resultados e fazer comparações. Os resultados são apresentados para diferentes condições de operação em um virabrequim comercial. Analisa-se de forma simples o efeito da redução de massa de 5% e de 10%. Por fim, conclui-se que a árvore de manivelas simulada não apresenta desgaste por contato metal-metal. / Abstract: This paper aims to analyze the phenomenon of vibration in the longitudinal direction of the crankshaft in internal combustion engines, the calculation of loads on the bearing and the calculation of displacements caused by the dynamics of the crankshaft. This vibration is identified as a cause of premature wear of the components coupled to the crankshaft and the component itself. Reduction in this vibration contributes to increased efficiency and life service time. The proposed formulation to study the dynamics of the structure is the model of multiple degrees of freedom with concentrated masses and inertias. The Reynolds equation is solved by Finite Differences Method to calculate the supported load of the bearing. In addition, the commercial program Excite (AVL) is used to evaluete results and make comparison. The results are presented for different operating conditions in a commercial crankshaft. A simple analysis of a crankshaft mass reduction of 5% and 10% is done. Finally, a conclusion that the crankshaft does not present a metal-metal contact is done. / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Caio Glauco Sanchez / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecanica / Made available in DSpace on 2018-08-07T22:05:21Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Silva_NerivaldoRodriguesda_M.pdf: 4894128 bytes, checksum: 69ef45ea8aa8986f3f2bb33a0866b270 (MD5) Previous issue date: 2006 / Resumo: Neste trabalho buscou-se desenvolver um método para a determinação da potência indicada em motores de combustão interna e medição da pressão de combustão com um osciloscópio. Para isto é necessário conhecer a curva de pressão de combustão do cilindro em função d posição angular do virabrequim e os dados da geometria do mecanismo biela-manivela. Utilizou-se a pressão de combustão do cilindro para calcular o trabalho transferido pelo gás ao pistão do motor. A pressão de combustão foi medida com um transdutor de pressão piezoelétrico. O efeito piezoelétrico é devido ao fenômeno que ocorre com o cristal de quartzo que quando submetido a uma pressão gera uma carga elétrica. Essa carga é convertida em um sinal de tensão linear e proporcional. Este sinal pode ser analisado por um osciloscópio ou ser condicionado por um sistema de aquisição de dados. Obtidos os dados, estes foram analisados através dos diagramas Log P-Log v, para verificar sua qualidade e se representavam o fenômeno físico medido. A curva da pressão do cilindro versus volume calculado foram plotadas, gerando os diagramas P-v. A área do diagrama P-v durante o tempo de compressão e expansão, que corresponde ao trabalho indicado liquido, foi determinada por integração numérica. A pressão média indicada calculada foi comparada com o valor obtido com o indicador de pressão Indiset 620 da AVL e apresentou resultado satisfatório. Os demais resultados obtidos foram analisados e comparados com os dados da revisão da literatura e apresentaram uma boa concordância. As tecnologias disponíveis para medição da pressão de combustão e os métodos para avaliação da performance são de maior importância para o estudo do processo da combustão, visando o desenvolvimento de motores com alta potência, baixo consumo de combustíveis e baixas emissões tóxicas dos gases de escapamento / Abstract: In this thesis, we were looking for a method to determinate the indicated power in a combustion engine and measurement of combustion pressure using an oscilloscope. To achieve that, it was necessary to know the curve of combustion pressure for each cylinder according to the crankshaft 's angular position and geometric data of connecting rod and crank shaft¿s mechanism. We used the cylinder¿s combustion pressure to calculate the work transferred by the gas to the engine¿s piston. The combustion pressure was measured by a piezoelectric pressure transducer. The piezoelectric effect occurs when a crystal of quartz, that under a certain pressure, generates an electrical signal. This signal is converted to a proportional and linear signal that can be analyzed by an oscilloscope or a data acquisition system. Once we obtained the data, we analyzed it thru a Log P-Log v diagram, verifying its quality and if it represents the measured physical effect. The curve of cylinder¿s pressure versus calculated area was plotted, generating the P-v diagrams. The diagram P-v area, during a certain time of compression and expansion, which correspond to the work indicated, was originated of a numerical integration. The indicated and calculated average pressure was compared to the value obtained from an AVL¿s Indiset 620 pressure indicator, showing satisfactory results. All the other results obtained were analyzed and compared to literature¿s revision data showing a good concordance. The available technologies to measure the combustion pressure and the methods to check performance, are very important to study the combustion process, aiming the development of higher power engines, lower consumption of fuel and lower toxic gas emission / Mestrado / Termica e Fluidos / Mestre em Engenharia Mecânica

Orientador: Marco Lúcio Bittencourt / Dissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia Mecânica / Made available in DSpace on 2018-08-24T08:50:44Z (GMT). No. of bitstreams: 1 Villalva_SergioGradella_M.pdf: 11688581 bytes, checksum: df8c433816377fee9fe37ecd07dfb3a1 (MD5) Previous issue date: 2014 / Resumo: O virabrequim é um dos componentes mais importantes de um motor de combustão interna. É responsável, juntamente com as bielas, por transformar o movimento de translação dos pistões em movimento rotativo, capaz de transmitir torque. Durante o funcionamento do motor, o virabrequim é submetido a cargas axiais, torcionais e de flexão, as quais resultam em regiões com níveis elevados de tensões ao longo da peça. Além disso, o virabrequim apresenta altos níveis de carga de torção devido às vibrações torcionais, que é uma das maiores causas de falhas de vibrabrequins e de outros acessórios do motor, como polias, correias, trens de engrenagem etc. Este trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de um programa computacional, denomidado CrankLab, para cálculo analítico de tensões e coeficientes de segurança de fadiga em virabrequins, que possa ser utilizado como uma ferramenta simples para a fase inicial de concepção do virabrequim. O estudo abrange o cálculo dos esforços dinâmicos, provenientes da combustão nos cilindros do motor e das forças inerciais devido ao movimento das partes móveis do motor de combustão interna, e o cálculo das amplitudes de vibração torcional. O método analítico desenvolvido considera o virabrequim como um eixo equivalente de seção circular, onde são aplicados os esforços radiais provenientes das bielas e os torques de vibração torcional, apoiado nos mancais principais. Os momentos fletores e torçores são calculados a partir da integração das equações de equilíbrio estático, considerando um modelo hiperestático, a partir dos quais são determinadas as tensões equivalentes. Ainda neste trabalho, foi realizado um estudo comparativo da aplicação de alguns tipos de absorvedores de vibrações torcionais e seus efeitos nas amplitudes de resposta, tendo como consequência a redução nas tensões no virabrequim. Dois casos foram estudados: um motor Otto de dez cilindros em V e um motor Diesel de seis cilindros em linha. Foram analisados regimes críticos de operação de cada motor: máximo torque, máxima potência e máxima rotação. Um experimento de análise modal do virabrequim de seis cilindros foi realizada de forma a validar as frequências naturais e os modos de vibração dos modelos propostos. Análises dinâmicas transientes com modelos flexíveis foram realizadas para ambos os casos, de forma a correlacionar com os resultados do modelo analítico. Os resultados de análise modal obtidos com os métodos analíticos, flexíveis e experimental foram bastante correlatos entre si, com erros menores que 5%. Os resultados de vibração torcional calculados pelo programa CrankLab também apresentaram excelente correlação com o modelo analítico do programa AVL Excite e o uso de absorvedores resultaram em considerável redução das amplitudes de vibração. Os resultados de tensões obtidos pelo CrankLab apresentaram a mesma ordem de grandeza dos obtidos pelos modelos flexíveis, com erros variando de 1% a 38%. Estes erros podem ser considerados aceitáveis uma vez que as condições de contorno e as simplificações do modelo analítico diferem bastante daquelas utilizadas nos modelos flexíveis. Tem-se como grande vantagem do programa CrankLab o menor tempo de pré processamento e cálculo, podendo ser inferior a 10% na maioria dos casos / Abstract: The crankshaft is one of the most important moving components of an internal combustion engine. It is responsible for converting the oscillating pistons movement into rotating movement by the connecting rods. During engine operation, the crankshaft is submitted to axial, bending and torsional loads, which results in high stressed regions on the component. Due to the phased cylinder combustions, the crankshaft has high levels of torsion load, being the torsional vibration one of the main causes of failures in crankshafts or engine accessories, as pulleys, belts and gears. The present thesis consists in the development of a computational program, called CrankLab, for analytical calculation of stress and fatigue safety factors on automotive crankshafts, which could be applied as a simple engineering tool during the initial crankshaft concept design phase. The study covers the determination of dynamic loads, from the combustion inside the engine cylinders and from the moving parts inertia, and the torsional vibration amplitudes calculation. The analytical method developed considers the crankshaft as an equivalent circular cross section shaft which is supported by the main bearings and where the connecting-rods radial forces and the vibration torques are applied on. The bending and torsion moments are calculated from integration of the static equilibrium equations, considering a hyperestatic model, thus the equivalent stresses can be calculated. Also in this study, a comparison was performed for some torsional vibration damper types, covering the calculation of optimum parameters of inertia, stiffness and damping, evaluating the effects on the output amplitudes within the entire engine speed range and the influence on the crankshaft stresses. The theory was applied for two different cases of study: an Otto V-type ten cylinders engine and a Diesel in-line six cylinders engine. Critical engine operation conditions were analyzed, at the speeds related to peak torque, rated power and overspeed. A modal analysis experiment was performed in order to validate the natural frequencies and modal shapes obtained by the proposed models for the six cylinders crankshaft. Moreover, transient dynamic analyses with flexible bodies were performed in order to compare with the stress results obtained from the analytical model for both cases. The modal analyses results obtained from the analytical, flexible and experimental methods were very good correlated with errors lower than 5%. The torsional vibration results calculated by CrankLab also presented excelent correlation with the analytical module of AVL Excite software. Moreover, the torsional dampers allowed considerable reduction in the vibration amplitudes. The stress results calculated by CrankLab have shown same order of magnitude of those from flexible models with errors variation between 1% and 38%. These errors can be acceptables once the boundary conditions and the analytical model simplifications are great different from those regarded in the flexible models. The most importante advantage of CrankLab is lower time spent in pre processing and calculation tasks, achieving a time saving around 10% in most cases / Mestrado / Mecanica dos Sólidos e Projeto Mecanico / Mestre em Engenharia Mecânica