Modelagem e simulação do mecanismo biela manivela e análise estrutural de biela automotiva

Abstract

Nowadays, the automotive industry is working to optimize the design of engines, in order to reduce the fuel consumption with acceptable efficiency ratio. This undergraduate thesis is aimed at perform a kinematic/dynamic analysis of a slider-crank mechanism that is part of a four stroke internal combustion engine, the same engine that was used in the analysis described by Montazersadhd and Fatemi (2007). Two algorithms were developed based on Kane’s method to calculate velocities and accelerations of the mechanism bodies, and provide the acting forces at connecting rod joints. A SimMechanics model was developed to simulate the engine, and monitoring the same parameters that were calculated with the algorithms. The results obtained with both approaches were satisfactory and showed good agreement with the values provided by Montazersadhd and Fatemi (2007). The obtained results showed that the axial component of the rod joint efforts was caused by the pressure exerted on the piston head,whereas the radial component was related with the action of inertia loads. Besides, this thesis presents a connecting rod assembly mesh that is going to be used for static and fatigue finite element analysis in the future

Atualmente, a indústria automotiva trabalha no sentido de aperfeiçoar o projeto de motores, tendo em vista a demanda pela redução dos níveis de consumo sem que haja perda de eficiência. Esse trabalho tem por meta utilizar a ferramenta SimMechanics® e o método de Kane para o cálculo dos parâmetros cinemáticos e dinâmicos dos corpos constituintes do mecanismo biela manivela de um motor de quatro tempos, o mesmo motor utilizado na análise descrita por Montazersadhd e Fatemi (2007). Foram desenvolvidos dois algoritmos utilizando o programa Matlab®, os quais eram utilizados para o cálculo de parâmetros cinemáticos e dinâmicos do modelo, além de fornecer as forças nas juntas da biela. Além desses algoritmos, desenvolveu-se um modelo do mecanismo biela-manivela utilizando a ferramenta SimMechanics®, o qual foi utilizado para simular o funcionamento do motor estudado. Os resultados obtidos, tanto no modelo de Kane, quanto na simulação com a plataforma SimMechanics® foram satisfatórios, e apresentaram grande concordância com os valores fornecidos por Montazersadhd e Fatemi (2007). Chegou-se a conclusão que as componentes axiais dos esforços das juntas da biela eram originadas pela pressão exercida na cabeça do pistão; já as componentes radiais resultavam da ação das forças de inércia de cada corpo do arranjo. Além das análises e simulações mencionadas acima, esse trabalho discute aspectos relativos a geração de uma malha padrão para análise estrutural de biela automotiva, a qual será utilizada futuramente para análises de flambagem e fadiga