Em um motor a pistão, as massas em movimento alternativo produzem forças de inércia que quando não adequadamente tratadas provocam vibrações.
Cinemática de um Sistema Biela Manivela
Definições l = comprimento da biela r = raio do eixo de manivelas (metade do curso) Θ = ângulo da manivela em relação a linha de centro do cilindro x = Posição do pistão v = Velocidade do pistão a = Aceleração do pistão ω = Velocidade angular do eixo de manivelas
Descrição Conforme o eixo de manivelas gira, o pistão P se desloca ao longo do eixo do centro do cilindro executando um movimento alternativo. A partir do Ponto Morto Superior (PMS), o pistão acelera até atingir a velocidade máxima, quando então começa a desacelerar até atingir o Ponto Morto Inferior (PMI), quando então inverte a trajetória. Velocidade Angular A velocidade angular (rad/s) pode ser calculada a partir do número de rotações por minuto (RPM):
Posição
A aplicação da lei dos cossenos ao diagrama fornece a posição do pistão:
Fazendo
temos:
Resolvendo pela formula quadrática e substituindo de volta y e z, temos:
expressando em termos da velocidade angular, temos:
Velocidade A primeira derivada da equação da posição fornece a velocidade do pistão:
Na grande maioria dos casos Taylor, Charles Fayette (1985). The Internal Combustion Engine in Theory and Practice Vol. 2: Combustion, Fuels, Materials, Design, p. 299. The MIT Press, Massachusetts. ISBN 0262700271., fazendo com que seja muito pequeno, podendo ser ignorado:
Aceleração A derivada da velocidade fornece a aceleração do pistão:
Para , (e considerando ), a derivada fica:
Em termos do ângulo da manivela temos:
Rearranjando:
Dinâmica de um Motor com Cilindros em Linha As massas em movimento alternativo produzem forças de inércia e binários, que se não forem equilibrados, irão gerar vibrações. Forças de Inércia Se m é a massa das partes em movimento alternativo (pistão e parte da biela), a força de inércia é igual a:
onde é a força primeira ordem, com frequência igual à rotação do motor e é a força de segunda ordem, com frequência igual a 2 vezes a rotação do motor.
Equilíbrio de Motores Multicilíndricos em Linha Em um motor de n cilindros em linha com ignição igualmente espaçada, o intervalo entre as explosões é igual a: em motores de 2 tempos e
em motores de 4 tempos. A força de inércia de cada pistão é dada por:
e assim por adiante.
A soma total das forças de inércia é então igual a:
mas
Substituindo temos:
Condições de Equilíbrio das Forças de Inércia Equilíbrio das Forças de Primeira Ordem
Equilíbrio das Forças de Segunda Ordem
Condições de Equilíbrio dos Binários O equilíbrio as forças de inércia não garante o motor não irá vibrar em decorrência da atuação de binários. Tomando como referência o cilindro número 1 e considerando d como a distancia entre os cilindros temos:
e assim por diante...
Se fizermos B igual a soma dos binários temos:
com a parte em vermelho representando os binários de primeira ordem e a parte em azul os de segunda ordem.
As condições de equilíbrio dos binários podem então ser escrita como: Binários de primeira ordem
Binários de segunda ordem
Efeitos sobre o motor
Dependendo da existência de forças de inércia ou de binários teremos os seguintes efeitos sobre o motor:
Completamente equilibrado Desequilíbrio causado por força de inércia Desequilíbrio causado por binário
Desequilíbrio causado por força de inércia. A distancia do ponto de atuação da força em relação ao plano de referência é dada por
Exemplo: Motor de três cilindros em linha - quatro tempos
Ordem de ignição: 1,3,2 Tabela de Equilíbrio Tabela de equilibrio ΦInércia1a ordemcosΦInércia1a ordemsenΦ2ΦInércia2a ordemcos2Φ<th>Inércia2a ordemsen2ΦdBinário1a ordemdcosΦBinário1a ordemdsenΦBinário2a ordemdcos2Φ<th>Binário2a ordemdsen2Φ
01001<th>00000<th>0
240480<th>2d<th>
120240<th>d<th>
<th><th> Força de inércia de primeira ordem: equilibrado Força de inércia de segunda ordem: equilibrado Binário de primeira ordem: desequilibrado Binário de segunda ordem: desequilibrado
Binário de primeira ordem
Sendo
Temos
Portanto
e o binário de primeira ordem é igual a:
O valor máximo do binário ocorrerá quando ,ou seja, quando graus.
Binário de segunda ordem ordem
Exemplo: Motor de quatro cilindros em linha - quatro tempos
Ordem de ignição: 1,3,4,2
Tabela de Equilíbrio
Tabela de equilibrio ΦInércia1a ordem cosΦInércia1a ordemsenΦ2ΦInércia2a ordemcos2Φ<th>Inércia2a ordemsen2ΦdBinário1a ordemdcosΦBinário1a ordemdsenΦBinário2a ordemdcos2Φ<th>Binário2a ordemdsen2Φ
01001<th>00000<th>0
180360<th>2d<th>
01001<th>03d3d03d<th>0
180360<th>d<th>
<th><th>
Força de inércia de segunda ordem
Substituindo temos:
Como Desequilíbrio causado por força de inércia. A distancia do ponto de atuação da força em relação ao cilindro numero 1 é dada por
Ver também Motor de combustão interna
Categoria:Engenharia mecânica