ansys levas

7/22/2019 ANSYS LEVAS

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UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERDIVISION BIBLIOTECA EDUARDO COTE LAMUS

RESUMEN TESIS DE GRADO

AUTORES:

NOMBRE(S) RUBN FERNANDO APELLIDO(S) GMEZ DUARTE .NOMBRE(S) JULIO CESAR APELLIDO(S) PABN ORTIZ __

FACULTAD DE: INGENIERAS .

PLAN DE ESTUDIOS DE: INGENIERA MECNICA .

DIRECTOR:

NOMBRE(S) JESS BETHSAID APELLIDO(S) PEDROZA ROJAS .

TTULO DE LA TESIS: ANLISIS DE ESFUERZOS EN LEVAS AUTOMOTRICESMEDIANTE EL MTODO DE ELEMENTOS FINITOS .

RESUMEN

Se realiz un anlisis de esfuerzos de contacto en las superficies de las levasautomotrices utilizando el mtodo de elementos finitos (MEF). Se estudi lageometra y cinemtica del mecanismo leva seguidor para modelar el perfil real y sehicieron ensayos rigurosos en laboratorios para determinar las propiedades quepermitieran realizar la simulacin numrica en el software ANSYS 10. Por ltimo seimplement un tutorial en ANSYS para poder solucionar cualquier tipo de problemasen donde se presente contacto como en engranes, rodamientos, etc.

CARACTERSTICAS:

PGINAS: __149___ PLANOS _____ ILUSTRACIONES _____ CD-ROM: ___1__


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ANLISIS DE ESFUERZOS EN LEVAS AUTOMOTRICES MEDIANTE ELMTODO DE ELEMENTOS FINITOS

RUBN FERNANDO GMEZ DUARTEJULIO CESAR PABN ORTIZ

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDERFACULTAD DE INGENIERAS

PLAN DE ESTUDIOS DE INGENIERA MECNICASAN JOS DE CCUTA

2011


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A mis padres Rubn Daro Gmez y Claudia Patricia Duarte por esforzarsepara que nunca me faltara nada y ensearme la importancia de los valores enuna persona. Gracias por estar conmigo en todo momento y por ser la razn

que me impulsa a seguir adelante y cumplir todas mis metas.

A mi hermana Claudia Fernanda por su colaboracin y confianza durante eltranscurso de mi carrera.

A mis abuelos, tos y dems familiares por brindarme su confianza y apoyopara alcanzar este logro.

A Johanna Snchez por brindarme su amor y compaa durante todos estosaos, gracias por ser la persona ms especial de mi vida y por brindarmeapoyo y confianza para alcanzar mis metas.

A todos mis amigos y compaeros de estudio por su colaboracin, su amistadsincera y por compartir sus ideas y conocimientos que fueron muy importantespara alcanzar este logro.

A mi compaero Julio Cesar Pabn Ortiz por su apoyo, esfuerzo y colaboracindurante el desarrollo de este proyecto.

RUBN FERNANDO GMEZ DUARTE


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Se la dedico con todo mi amor y cario.

Con mucho cario principalmente a mis padres, Eulides Pabn Hernndez yNoralba Ortiz Galviz, que me dieron la vida, que creyeron en m, que mesacaron adelante y me dieron una carrera para mi futuro, gracias por losejemplos dignos de superacin y entrega, porque en gran parte es gracias austedes que hoy puedo ver alcanzada mi meta, ya que siempre estuvieronimpulsndome en los momentos ms difciles de mi carrera, y porque el orgulloque sienten por m, fue lo que me hizo ir hasta el final. Va por ustedes, por loque valen, porque admiro su fortaleza y por lo que han hecho de m.

A mis hermanos, tos, primos, sobrino y abuelos. Gracias por haber fomentado

en m el deseo de superacin y el anhelo de triunfo en la vida.

A Astrid Carolina Valencia, porque aunque llegaste cuando ya culminaba estelogro, tu amor y cario me dieron el impulso que haca falta para alcanzar estameta.

A todos mi amigos, Alfonso Nieto, Jhan Carlos Snchez, David Quijano, EdwinVillalobos, Eduardo Comas, Julin Reyes, entre otros, por estar conmigo entodo este tiempo donde hemos vivido momentos difciles y felices, gracias porser mis amigos y recuerden que siempre los llevo en mi corazn.

A mi compaero de estudio, Rubn Fernando Gmez Duarte, por el esfuerzoentregado durante el tiempo que nos tom desarrollar los objetivos propuestos.

A todos, mil palabras no bastaran para agradecerles su apoyo, sucomprensin y sus consejos en los momentos difciles, espero no defraudarlosy contar siempre con su valioso apoyo, sincero e incondicional.

JULIO CESAR PABN ORTIZ


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AGRADECIMIENTOS

Los autores expresan sus agradecimientos a:

A Jess Pedroza Rojas, Ingeniero Mecnico por su enorme colaboracin einvaluable aporte como director del proyecto, por ser un excelente profesor,ingeniero y persona, por introducirnos al maravilloso mundo de los ElementosFinitos, por todas sus enseanzas y consejos.

A Yusbely Castilln Jaimes, por su gran aporte, ayuda y conocimiento almomento de realizar los ensayos mecnicos, requeridos para el desarrollo de

los objetivos propuestos en este proyecto.

A Pedro Pablo Torres y Otoniel Cceres, ingenieros metalrgicos, por colocarsus conocimientos profesionales a nuestra disposicin, lo que hizo msllevadero el desarrollo de este proyecto.

A Mery y a los ingenieros del Departamento de Diseo Mecnico, Materiales yProcesos, por la paciencia y por la compaa durante el desarrollo del proyecto.


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CONTENIDO

INTRODUCCIN 17

1. GENERALIDADES 18

1.1 MECANISMO LEVA-SEGUIDOR 18

1.2 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA 22

1.3 ELEMENTOS FINITOS 26

1.4 TEORAS DE ESFUERZOS 31

2. ENSAYOS DE LABORATORIO 33

2.1 ANLISIS METALOGRFICO. 33

2.2 ANLISIS QUMICO. 40

2.3 ENSAYO DE DUREZA 42

2.4 PRUEBAS DE RESORTES. 44

3. MODELAMIENTO GEOMTRICO 51

3.1 MOVIMIENTO ARMNICO SIMPLE 51

3.2 MOVIMIENTO CICLOIDAL. 53

3.3 MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE VARIADO. 55

3.4 MOVIMIENTO TRAPEZOIDAL 62

3.5 PROCESO DE INGENIERA INVERSA 67

4. ANLISIS DE ESFUERZOS EN LEVAS AUTOMOTRICES MEDIANTE ELMTODO DE ELEMENTOS FINITOS 71

4.1 ANLISIS ESTRUCTURAL 71

4.2 SIMULACIN NUMRICA 71

4.3 ETAPAS DE LA SIMULACIN NUMRICA 72

4.4 MODELAMIENTO GEOMTRICO 72

4.5 APLICACIN DE LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL 73

4.6 DISCRETIZACIN EN ELEMENTOS FINITOS. 74


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4.7 APLICACIN DE RESTRICCIONES Y CARGAS 82

4.8 SOLUCIN 85

4.9 RESULTADOS DE LA SIMULACIN NUMRICA 86

CONCLUSIONES 101

RECOMENDACIONES 102

BIBLIOGRAFA 103

ANEXOS 105


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LISTA DE FIGURAS

Figura 1. Mecanismo leva-seguidor. 18

Figura 2. Tipos de leva. 19

Figura 3. Tipos de seguidor. 20

Figura 4. Nomenclatura del mecanismo leva-seguidor. 23

Figura 5. Etapas del ciclo termodinamico de los motores a combustin

Interna. 23

Figura 6. Conjunto mvil del motor de combustin interna. 24

Figura 7. Sistema de distribucin mecnica del motor de combustin 26

Figura 8. Men de utilidades ANSYS 10.0 28

Figura 9. Interfaz grafica del ANSYS. 29

Figura 10. Ventana de comandos ANSYS 10.0. 29

Figura 11. Barra de acceso rpido ANSYS 10.0. 29

Figura 12. Men principal ANSYS 10. 30

Figura 13. Ventana de salida ANSYS 10. 30

Figura 14. Ventana de grficos ANSYS 10. 31

Figura 15. Esfuerzos de contacto en cilindros. 32

Figura 16. Tipos de hojuelas de grafito. 38

Figura 17. Longitudes de las hojuelas de grafito. 39

Figura 18. Diagrama de desplazamiento del movimiento armnico simple. 52

Figura 19. Diagrama de desplazamiento del movimiento cicloidal. 54

Figura 20. Diagrama de desplazamiento del movimiento uniformementeacelerado. 56

Figura 21. Diagrama de desplazamiento del movimiento trapezoidal. 62

Figura 22. Perfil general de la leva automotriz. 66

Figura 23. Descomposicin de la geometra de la leva automotriz. 67


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Figura 24. Perfil de la leva automotriz generado en Rynoceros 7.0. 68

Figura 25. Perfil de la leva automotriz acotado en Rynoceros 7.0. 68

Figura 26. Apertura mxima de las vlvulas de admisin y escape en losmotores de combustin interna. 72

Figura 27. Zona de reposo de las vlvulas de admisin y escape en los motoresde combustin interna. 73

Figura 28. Inicio de apertura y cierre de las vlvulas de admisin y escape enlos motores de combustin interna. 73

Figura 29. Geometra del elemento SOLID 92. 75

Figura 30. Geometra del elemento Target 170. 76

Figura 31. Geometra del elemento Conta 175. 77

Figura 32. Enmallado sin refinar en la apertura mxima de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna. 77

Figura 33. Enmallado sin refinar en la zona de reposo de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna. 78

Figura 34. Enmallado sin refinar en el inicio de apertura y cierre de las vlvulasde admisin y escape en los motores de combustin interna. 78

Figura 35. Diagrama de flujo de proceso de refinamiento. 79

Figura 36. Contacto entre superficies cilndricas. 80

Figura 37. Contacto superficie-superficie. 81

Figura 38. Contacto nodo-superficie. 82

Figura 39. Aplicacin de la condicin de simetra. 83

Figura 40. Restriccin de desplazamiento en Y en la leva automotriz. 83

Figura 41. Aplicacin de la carga. 84

Figura 42. Acoplamiento entre las superficies. 85

Figura 43. Opciones de solucin. 86

Figura 44. Soluciones nodales. 87

Figura 45. Refinamiento de la zona de contacto para la posicin de aperturamxima de las vlvulas de admisin y escape en los motores de combustin

interna. 88


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Figura 46. Esfuerzos de Von misses estables en la zona de apertura mximade las vlvulas de admisin y escape de los motores a combustin interna. 91

Figura 47. Distribucin de esfuerzos en la lnea de contacto en la zona de

apertura mxima de las vlvulas de admisin y escape de los motores acombustin interna. 91

Figura 48. Refinamiento de la zona de contacto para la posicin de reposo delas vlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna. 93

Figura 49. Esfuerzos de Von misses estables para la posicin de reposo de lasvlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna. 95

Figura 50. Distribucin de esfuerzos de Von misses en la lnea de contactopara la posicin de reposo de las vlvulas de admisin y escape en los motores

de combustin interna. 95

Figura 51. Refinamiento de la zona de contacto en la mitad de la elevacin delas vlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna. 97

Figura 52. Esfuerzos de Von misses estables en la mitad de la elevacin de lasvlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna. 98

Figura 53. Distribucin de esfuerzos de Von misses en la lnea de contacto enla mitad de la elevacin de las vlvulas de admisin y escape en los motoresde combustin interna 99


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LISTA DE FOTOGRAFAS

Fotografa 1. Corte de la muestra. 33

Fotografa 2. Pulido de la muestra. 34

Fotografa 3. Pulido en pao de la muestra. 34

Fotografa 4. Ataque qumico con Nital al 2%. 35

Fotografa 5. Observacin de la muestra en el microscopio. 35

Fotografa 6. Microestructura de la muestra. Ampliacin 100x sin ataquequmico. 36

Fotografa 7. Microestructura de la muestra. Ampliacin 200x atacada con Nitalal 2%. 36

Fotografa 8. Microestructura de la muestra. Ampliacin 500x atacada con Nitalal 2%. 37

Fotografa 9. Quemas realizadas en el espectrofotmetro de emisin pticapara el anlisis qumico. 41

Fotografa 10. Ensayo de dureza. 42

Fotografa 11. Huellas del indentador en las superficies de la leva automotriz enel ensayo de dureza. 43

Fotografa 12. Maquina Versa Loader. 45

Fotografa 13. Resortes de vlvulas de motores de combustin interna. 45


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LISTA DE GRFICAS

Grfica 1.Carga Vs. Deformacin promedio de los resortes. 47

Grfica 2. Carga Vs. Deformacin ajustada promedio. 49

Grfica 3. Perfil de la leva automotriz con movimiento armnico simple. 53

Grfica 4. Perfil de la leva automotriz con movimiento cicloidal. 55

Grfica 5. Perfil de la leva automotriz con movimiento uniformemente aceleradopara K=1 58

Grfica 6. Perfil de la leva automotriz con movimiento uniformemente aceleradopara K=2. 59



Grfica 9. Perfil de la leva automotriz con movimiento trapezoidal. 65

Grfica 10. Perfil real de la leva automotriz analizada. 70


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LISTA DE TABLAS

Tabla 1. Composicin qumica de la leva automotriz. 41

Tabla 2. Datos ensayo de dureza. 44

Tabla 3. Datos de carga y deformacin promedio de los resortes. 46

Tabla 4. Datos de carga y deformacin ajustada promedio de los resortes. 48

Tabla 5. Ecuaciones del perfil real de la leva automotriz. 69

Tabla 6. Propiedades de los materiales. 74

Tabla 7. Valores crticos de la solucin nodal sin refinamiento de esfuerzos S1,S2, S3 y SEQV para la posicin de mxima apertura de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna. 87

Tabla 8. Resultados obtenidos en el proceso de refinamiento para la posicinde mxima apertura de las vlvulas de admisin y escape en los motores decombustin interna. 88

Tabla 9. Valores estables de la solucin nodal de esfuerzos S1, S2, S3, SEQVY USUM para la posicin de apertura mxima de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna. 90

Tabla 10. Valores crticos de la solucin nodal sin refinamiento de esfuerzosS1, S2, S3, SEQV en la posicin de reposo de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna. 92

Tabla 11. Resultados obtenidos en el proceso de refinamiento para la zona dereposo de las vlvulas en los motores de combustin interna. 93

Tabla 12. Valores estables de la solucin nodal de esfuerzos S1, S2, S3, SEQVy USUM para la posicin de reposo de las vlvulas de admisin y escape enlos motores de combustin interna. 94

Tabla 13. Valores crticos de la solucin nodal sin refinamiento de esfuerzosS1, S2, S3, SEQV en la mitad de la elevacin de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna. 96

Tabla 14. Resultados obtenidos en el proceso de refinamiento en la mitad de laelevacin de las vlvulas en los motores de combustin interna. 97

Tabla 15. Valores estables de la solucin nodal de esfuerzos S1, S2, S3, SEQVy USUM en la mitad de la elevacin de las vlvulas de admisin y escape enlos motores de combustin interna. 98


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Tabla 16. Comparacin de mximos esfuerzos en las posiciones de operacindel mecanismo leva-seguidor en los motores de combustin interna. 100


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INTRODUCCIN

Una de las principales preocupaciones de los ingenieros en el mbito de losmotores de combustin interna es predecir la confiabilidad de las levasautomotrices y prolongar la vida til de estas. Con el fin de contribuir con elestudio de este mecanismo se realiz un anlisis esttico de esfuerzos enlevas automotrices aplicando el mtodo de elementos finitos, utilizando comoherramienta el mdulo STRUCTURAL del software ANSYS 10.

Para esto fue necesario estudiar la geometra y la cinemtica del mecanismoleva-seguidor, se model el perfil de la leva automotriz utilizando cada uno delos movimientos bsicos (movimiento armnico simple, movimiento cicloidal,

movimiento uniformemente variado y movimiento trapezoidal) en busca delmovimiento que se ajustara al perfil real de la leva automotriz analizada. Al noencontrar similitud entre el perfil real de la leva automotriz y los perfilesgenerados con los movimientos bsicos, se opt por realizar un procedimientode ingeniera inversa, donde partiendo del perfil real de la leva analizada seobtuvieron las dimensiones de esta por medio del software RYNOCEROS 7.0 ypartiendo de estas dimensiones, con la herramienta Microsoft Excel seobtuvieron las ecuaciones que describen el movimiento de cada tramo.

Se realizaron ensayos de metalografa, anlisis qumico y de dureza, para

determinar el material de la leva automotriz analizada. Adems, se sometierontres resortes de vlvulas de admisin y escape a ensayos de compresin paradeterminar la constante de rigidez promedio de estos y con la deformacin quepresentan en cada posicin de operacin se calcul la fuerza que soporta elmecanismo leva-seguidor.

Se explica cada una de las etapas seguidas durante el proceso de simulacinnumrica, se diseo un tutorial para facilitar el desarrollo de futuros proyectosque involucren el anlisis de esfuerzos de contacto en el software ANSYS 10 yse finaliza con el anlisis de los resultados, las conclusiones y las

recomendaciones derivadas del proceso investigativo. Por ltimo se presentanlas referencias bibliogrficas y los anexos respectivos.


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1. GENERALIDADES

1.1 MECANISMO LEVA-SEGUIDOR

Un mecanismo leva-seguidor est formado por dos elementos mviles, la levay el seguidor, que se ponen en contacto por la accin de un par cinemticosuperior, estos elementos a su vez se encuentran unidos a un miembro fijollamado bastidor (ver figura 1).

Figura 1. Mecanismo leva-seguidor.

--

Levas. Una leva es un elemento mecnico que posee un movimiento de

rotacin, que impulsa por contacto directo, a otro elemento denominadoseguidor de forma que ste ltimo realice un movimiento alternativo concreto.

Las levas desempean un papel muy importante dentro de la maquinariamoderna y se emplean extensamente en los motores de combustin internapara abrir y cerrar las vlvulas, mquinas-herramienta, computadorasmecnicas, instrumentos y en muchas otras aplicaciones.1

1 MABIE, Hamilton y REINHOLTZ Charles F. Mecanismos y Dinmica de maquinaria 2 Ed. Mxico: Limusa Wiley, 2002, 713p.


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Los tipos de leva ms comunes segn su geometra se muestran en la figura 2y son los siguientes:

Levas cilndricas.Se trata de un cilindro que gira alrededor de un eje y enel que el seguidor se apoya en una de las caras no planas.

Levas de disco. En este tipo de leva, el perfil est tallado en un discomontado sobre un eje giratorio.

Levas de tambor.La leva de tambor es aquella en la que el seguidor es unrodillo que se desplaza a la largo de una ranura tallada en un cilindroconcntrico con el eje de la leva.

Levas de cua. Leva similar a la leva de placa pero acompaada de unmovimiento de traslacin.

Levas de ranura.El perfil o ranura que define el movimiento esta tallado enun disco giratorio, el seguidor de rodillo se mueve de arriba hacia abajosiguiendo el perfil de la ranura.

Figura 2. Tipos de leva.

.Fuente: Tesis Aportacin al estudio de levas desmodrmicas, Universidad deCatalua


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Tipos de seguidor. El seguidor es un elemento mecnico que recibe elimpulso de una leva por contacto directo para desarrollar un trabajo especficodentro de una maquina.

Los tipos ms comunes de seguidores segn su geometra son los siguientes yse pueden observar en la figura 3:

Seguidor de rodillo.

Seguidor de pie plano.

Seguidor de cua.

Seguidor de zapata.

Figura 3. Tipos de seguidor.

Fuente: libro mecanismos y dinmica de maquinaria 2a/ed. Mabie, Reinholtz

Nomenclatura del mecanismo leva-seguidor. La figura 4 muestra lanomenclatura utilizada para describir las levas de placa y de disco.

Perfil de la leva.Es una curva que es paralela a la curva de trazo, cuando elseguidor es de rodillo, y coincide con la curva de trazo cuando el seguidor esde pie plano.

Rodillo.Es el elemento mecnico con el cual se logra el contacto a rodadurapura con la superficie del perfil de la leva, es de forma cilndrica y est

montado al vstago del seguidor por medio de un eje.


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Vstago.Elemento mecnico de forma cilndrica en el cual se ensambla elrodillo y forman el conjunto del seguidor.

Lnea de accin.Es el eje a travs del cual se desplaza el seguidor conmovimiento rectilneo.

Lnea de presin.Es la normal a las dos superficies, leva y seguidor, en elpunto de contacto.

ngulo de presin.Es el ngulo comprendido entre la lnea de accin delseguidor y la lnea de presin.

Carrera.Es la distancia entre las dos posiciones extremas del seguidor.

Punto de trazo.Es un punto del seguidor. Para seguidores de rodillo es elcentro de este.

Curva de trazo. Curva descrita por el punto de trazo y se obtiene medianteinversin cinemtica.

Crculo base.Es el crculo ms pequeo, tangente al perfil de la leva, concentro en el eje de rotacin de esta.

Crculo primario.Es el crculo ms pequeo, tangente a la curva de trazo,y con centro en el eje de rotacin de la leva.

Excentricidad.Es la medida geomtrica que se toma desde el centro delcrculo primario hasta la lnea de accin del vstago del seguidor.

Radio de curvatura.Es la medida instantnea del centro de curvatura delperfil de la leva.


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Figura 4. Nomenclatura del mecanismo leva-seguidor.

Fuente: libro mecanismos y dinmica de maquinaria 2a/ed. Mabie, Reinholtz

1.2 MOTORES DE COMBUSTIN INTERNA

Un motor de combustin interna es un tipo de mquina que obtiene energamecnica directamente de la energa qumica producida por un combustibleque se quema dentro de una cmara de combustin.

Ciclo termodinmico en los motores de combustin interna. Los motoresde combustin interna rigen su funcionamiento por un ciclo termodinmicocompuesto de cuatro procesos como se muestran en la figura 5:

Admisin.La vlvula de admisin se encuentra abierta mientras el pistn sedesplaza desde el punto muerto superior (PMS) hasta el punto muertoinferior (PMI) permitiendo que el cilindro se llene de una mezcla de aire-combustible, al completar el llenado del cilindro se cierra la vlvula de

admisin.

Compresin.Con las vlvulas de admisin y de escape cerradas el pistncomprime la mezcla de aire-combustible desplazndose desde el puntomuerto inferior (PMI) al punto muerto superior (PMS).

Explosin. Se produce cuando el pistn llega al punto muerto superior(PMS) y mediante una fuente de calor se produce la explosin. Por ejemploen motores a gasolina se produce una chispa por medio de la buja y en los


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motores diesel la explosin se produce por el efecto de las altastemperaturas de la mezcla aire-combustible comprimida por el pistn.

Escape.El pistn se desplaza desde el punto muerto inferior (PMI) al puntomuerto superior (PMS) mientras la vlvula de escape se encuentra abierta.

Figura 5. Etapas del ciclo termodinmico de los motores de combustininterna.

Fuente: www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/

Conjunto mvil del motor de combustin interna. La funcin del conjuntomvil es transformar la energa trmica en energa mecnica, por medio demecanismos que transforman el movimiento rectilneo alternativo enmovimiento rotatorio y viceversa.Las partes del conjunto mvil se observan enla figura 6.

Cmara de combustin.Es un cilindro cerrado en un extremo que se llenacon una mezcla aire-combustible, la cual es comprimida por un pistn, quese desliza en su interior, que junto con la presencia de una fuente de calor

produce la combustin que libera la energa necesaria para mover elcigeal.

Pistn.Es un embolo que posee movimiento alternativo que se ajusta a lasparedes del cilindro por medio de anillos, su funcin es modificar la presin yel volumen de la mezcla aire-combustible que se aloja en el cilindro,generalmente se construyen de aleacin de aluminio.
http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/http://www.tecnocoches.com/motor/funcionamiento-basico-de-un-motor-de-gasolina/


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Biela. Es un elemento mecnico sometido a esfuerzos de traccin ycompresin y su funcin es conectar la cabeza del pistn con el muon delcigeal.

Cigeal. Es un eje con contrapesos que transforma el movimientoalternativo de los pistones en movimiento rotacional y a su vez lo transmite aotros elementos como el volante de inercia.

Volante de inercia. Es un elemento en forma de disco que poseemovimiento rotatorio, su principal caracterstica mecnica es el momento deinercia, o su resistencia a ser acelerado o desacelerado. Su funcin esmantener el impulso generado por los pistones.

Figura 6. Conjunto mvil del motor de combustin interna.

Fuente: Biblioteca virtual Luis ngel Arango. SENA. Cartillas de MecnicaAutomotriz y Diesel. Educar Editores S.A. Bogot D.C.

Sistema de distribucin mecnica.Es el mecanismo encargado de abrir ycerrar las vlvulas en los tiempos indicados para cumplir con el ciclotermodinmico (ver figura 7).

Vlvulas. Son las encargadas de permitir la entrada de aire para que seefecte la mezcla con el combustible y al ser comprimida genere la explosinque libera la energa para impulsar el cigeal, tambin permiten la salida delos gases resultantes de la combustin.

Taque.Es un impulsor que se ajusta al movimiento del rbol de levas y estencargado de abrir y cerrar las vlvulas dependiendo del proceso en que seencuentre el motor dentro del ciclo termodinmico.


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rbol de levas.Es un mecanismo formado por un eje en el que se colocandistintas levas, que pueden tener distintas formas y tamaos y estarorientadas de diferente manera, siendo un programador mecnico. Su

aplicacin ms desarrollada es la relacionada con los motores decombustin interna, en los que se encarga de regular la apertura y el cierrede las vlvulas, permitiendo la admisin y el escape de gases en loscilindros. Luego de ser fabricados suelen someterse a acabadossuperficiales como cementados, para endurecer la superficie del rbol, perono su ncleo.

Leva.Es un elemento mecnico que se encuentra en el rbol de levas delautomvil; debe existir una leva por cada vlvula del motor, la distribucin decada leva sincroniza los tiempos de apertura y cierre de los ciclos de

admisin y escape del conjunto motor.

Resorte de vlvula2. La misin de los resortes de vlvulas es la demantener apoyadas las vlvulas en sus asientos de manera efectiva cuandoestas deben estar cerradas. Los resortes se disean de tres tipos: espiras depaso constante, doble resorte y de espiras de paso variable.

Los resortes de vlvula se deben ser de material resistente a la torsin de altafrecuencia. Los materiales ms comunes para la fabricacin de resortes de

vlvulas son:

Alambres de acero al carbono estirados en fro y patentados segn normas DIN17223; ASTM A 228.

Alambres de acero al carbono, templados al aceite, para la fabricacin deresortes de vlvulas y embragues, segn norma ASTM A 230.

Alambres de acero de aleacin al cromo vanadio, templados al aceite. Para lafabricacin de resortes de vlvulas de alta calidad, segn norma ASTM A 232.

Alambres de acero de aleacin al cromo silicio, templados al aceite. Para lafabricacin de resortes de vlvulas de alta calidad, segn norma ASTM A 401.

2Coopa, Martin. www.martincoppa.com.ar. . (25/03/2011)


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Figura 7. Sistema de distribucin mecnica del motor de combustininterna.

Fuente:http://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/03/sistema-de-distribucion.htm

1.3ELEMENTOS FINITOS

El mtodo de elementos finitos es un mtodo numrico que permite hallar el

valor de las variables nodales de un problema con valor en la frontera,mediante la divisin del continuo en un nmero finito de elementos.

Para llegar a las ecuaciones matemticas que reemplazan las ecuacionesdiferenciales que gobiernan al sistema objeto de estudio se utilizan tecnicasmatematicas, las ms comunes son: metodos de residuos ponderados, metodode minimos cuadrados, metodo de colocacion y metodo de galerkin. Paraobtener la solucion de un problema mediante el mtodo de elementos finitos esnecesario contar con un software.

Etapas del mtodo de elementos finitos.El metodo de elementos finitos secompone basicamente de siete etapas o pasos para obtener la solucion a unproblema determinado.

Definir la geometra: Consiste en dibujar o construir el modelo geomtrico alcual se le va a aplicar la solucin mediante el metodo de elementos finitos.
http://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/03/sistema-de-distribucion.htmhttp://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/03/sistema-de-distribucion.htmhttp://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/03/sistema-de-distribucion.htmhttp://mecanicayautomocion.blogspot.com/2009/03/sistema-de-distribucion.htm


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Discretizar: Es dividir la region (modelo geometrico) en un nmero finito deelementos que tienen una configuracion definida, propidades uniformes y seencuentran conectados por los nodos.

Hallar matrices y vectores elementales: Para cada uno de los elementos enlos que se ha dividido el continuo, se hallan los vectores y matriceselementales, para las ecuaciones constitutivas.

Hallar el sistema global. Una vez obtenidos los vectores y matriceselementales, se ensamblan para hallar el sistema global del continuo.

Aplicar las condiciones y/o restricciones: En esta etapa se aplican lascondiciones como carga, presiones y empotramientos que se encuentren enel modelo que se est analizando.

Resolver el sistema global: Consiste en determinar los valores de lasvariables nodales.

Hallar otros valores: Se obtienen a partir de los valores de lasvariables nodales.

Software ANSYS 10. El ANSYS es un software basado en la teora de loselementos finitos, tiene gran aplicacin en todos los campos de la ingeniera, yaque permite solucionar un amplio grupo de problemas fsicos como

estructurales, transferencia de calor, electromagnetismo, comportamiento defluidos, movimientos de ondas, entre otros.

Una de las principales ventajas del ANSYS es que permite realizarsimulaciones para conocer el comportamiento que va a tener determinadoelemento bajo sus condiciones de funcionamiento reales, para as poderoptimizar el diseo, tanto para evitar posibles fallas como para reducir loscostos de produccin.

Estructura del software ANSYS. El ANSYS basa su funcionamiento enprocesadores que permiten obtener la solucin al problema propuesto.

Pre- proceso. En esta etapa se indica el tipo de anlisis que se va arealizar, se construye el modelo, se ingresan todos los datos necesarios paradiscretizarlo y se indican las propiedades de los materiales involucrados. Sedeben seguir los siguientes pasos:


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Seleccin del tipo de anlisis.

Seleccin del tipo de elementos.

Modelo geomtrico.

Definir atributos de los elementos: rea, temperatura, momento de inercia.

Definir propiedades: modulo de elasticidad, coeficiente de Poisson, densidad,etc.

Enmallado del modelo geomtrico.

Solucin. En esta etapa se ejecuta la solucin del modelo indicando las

condiciones de frontera (cargas y restricciones). Los pasos son lossiguientes: aplicar condiciones y restricciones: temperatura carga, velocidad,presin y realizar la solucin.

Post-proceso.En esta etapa se muestran los resultados de la solucin delmodelo, estos resultados se pueden ver mediante listas, tablas, grficas,dibujos y animaciones.

Interfaz grafica del ANSYS. La interfaz grafica del ANSYS se presenta en lafigura 9, esta interfaz se compone de seis ventanas principales.

Men de utilidades (ANSYS Men). Contiene funciones de aplicacingeneral como control de archivos, de seleccin, de grficos, acceso a laayuda, y otros parmetros generales del programa como lo muestra la figura8.

Figura 8. Men de utilidades ANSYS 10.0.

Fuente: Software ANSYS 10.0 Universidad Francisco de Paula Santander


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Figura 9. Interfaz grafica del ANSYS.

Fuente: Software ANSYS 10.0 Universidad Francisco de Paula Santander.

Ventana de comandos (ANSYS Command Prompt). Permite laintroduccin de comandos mediante teclado (ver figura 10).

Figura 10. Ventana de comandos ANSYS 10.0.


Barra de acceso rpido (ANSYS Toolbar).Permite acceder a las funcionesms usadas en ANSYS; se puede personalizar para aadir los botonesdeseados (ver figura 11).

Figura 11. Barra de acceso rpido ANSYS 10.0.


Men principal (ANSYS Main Menu). Contiene las funciones principales de

ANSYS; est reorganizado por procesadores, sugiriendo la secuencia de


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ejecucin de los comando en una sesin de ANSYS, las opciones del mense muestran en la figura 12. Los comandos antecedidos por el smbolo +indican la existencia de un submen. Los comandos antecedidos por elsmbolo indican la apertura de una ventana de dialogo y los comandos

antecedidos por el smbolo indican el despliegue de una ventana deseleccin o ejecucin de la accin indicada.

Figura 12. Men principal ANSYS 10.


Ventana de salida (ANSYS Output Wind ow): Muestra los mensajes desalida del programa. Las opciones de salida del programa ANSYS se

muestran en la figura 13.

Figura 13. Ventana de salida ANSYS 10.


Ventana de grficos:Muestra Los grficos generadas por el programa (verfigura 14).


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Figura 14. Ventana de grficos ANSYS 10.


1.4 TEORAS DE ESFUERZOS

El anlisis dinmico de un mecanismo de leva con seguidor de rodillo entraslacin se hace con el fin de poder determinar la fuerza y el esfuerzo queexiste entre las superficies en contacto debido al movimiento de la leva, para

esto se puede considerar el contacto entre la leva y el seguidor como elcontacto entre dos cuerpos de seccin transversal cilndrica.

Teora de esfuerzo de Von Misses. El criterio de Von Misses, tambinllamado criterio de la mxima energa de distorsin, es un criterio de resistenciaesttica. El esfuerzo de Von Misses se escribe matemticamente como:

(1)

El factor de seguridad en el punto analizado, de acuerdo con el criterio de VonMisses se obtiene de:

(2)Esfuerzos de contacto3. Cuando dos cuerpos con superficies curvas sepresionan entre s, el contacto puntual o lineal cambia a un rea de contacto, y

3BUDYNAS, Richard y NISBETT, Keith. Diseo en ingeniera mecnica de Shigley octava edicin. Mxico. Mc Graw-Hill,2008,1059 pg.


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los esfuerzos que se desarrollan en los dos cuerpos son tridimensionales. Losproblemas de esfuerzos de contacto se originan en el contacto de una rueda yun riel, en el rbol de levas y los balancines, en los dientes de engranesacoplados y en la accin de los cojinetes de bolas.

Contacto cilndrico. En la figura 15a se ilustra una situacin similar en lacual los elementos de contacto son dos cilindros de longitud ly dimetros d1y d2, como se muestra en la figura 15b, el rea de contacto es un rectnguloangosto de ancho 2by longitud l, y la distribucin de la presin es elptica. Elsemiancho b esta dado por la ecuacin:

(3)

La presin mxima es:

(4)

Figura 15. Esfuerzos de contacto en cilindros.

Fuente: BUDYNAS, Richard y NISBETT, Keith. Diseo en ingeniera mecnicade Shigley octava edicin. Mxico. Mc Graw-Hill, 2008,1059 pg.


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2. ENSAYOS DE LABORATORIO

2.1 ANLISIS METALOGRFICO.

La Metalografa, estudia las caractersticas estructurales o de constitucin deun metal o una aleacin para relacionar sta con las propiedades fsicas ymecnicas. Los anlisis metalogrficos se realizan con el fin de determinar eltipo de material con ayuda de la observacin microscpica e Identificar lasfallas de origen en las piezas.

Este ensayo se realiz con el fin de conocer la microestructura que forma elmaterial de la leva automotriz4 objeto de este proyecto, para determinar sus

propiedades fsica, qumicas y mecnicas. La muestra o probeta metlica fuesometida a una serie de procedimientos que llevaron a descubrir su parteinterna o microestructural, este procedimiento se llev a cabo en el laboratoriode metalografa de Universidad Francisco de Paula Santander.

Pasos para la caracterizacin de la muestra.

Corte de la probeta. La primera fase de la preparacin metalogrfica es elcorte (ver fotografa 1), que consiste en la preparacin de una muestra

representativa de la pieza a examinar. El corte se debe hacer con el mayorcuidado posible, buscando no alterar ni producir cambios en el material,como transformaciones de fase.

Fotografa 1. Corte de la muestra.

Fuente: Fotografa tomada en el taller de maquinas y herramientas de laUniversidad Francisco de Paula Santander. 2011

4 Tomada del rbol de levas de un motor 8V Vortec 5.7, Chevrolet Cheyenne 2002


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Encapsulado de la muestra. Se realiza para mejorar la manipulacin de lasprobetas. Para ello se recubren las probetas con un polmero denominadobaquelita en una prensa especial, con ayuda de calor y presin.Debido a lageometra del material no se encontr la necesidad de encapsularlo ya que

permita una fcil manipulacin y una vista de toda su superficie.

Pulido grueso. Se prepara la superficie del metal que ser objeto deestudio, este proceso se realiza de forma manual en mesas de discoutilizando lijas desde la 60, 180, 240, 400, 600 hasta la 1200 como semuestra en la fotografa 2.

Fotografa 2. Pulido de la muestra.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de metalografa de la UniversidadFrancisco de Paula Santander. 2011

Pulido fino. Luego del pulido grueso se realiza un pulido fino usando polvosabrasivos como almina o polvo de 10, 5 y 1, pulidoras automticas. Usando una serie de paos especiales en mquinassemiautomticas para obtener el brillo especular ptimo. El resultado de laaplicacin del pulido fino sobre la muestra se observa en la fotografa 3.

Fotografa 3. Pulido en pao de la muestra.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de metalografa de la Universidad

Francisco de Paula Santander. 2011


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Ataque qumico o corrosivo. Luego de pulir la probeta convenientemente,se atac con reactivos qumicos (Nital al 2%) estos reactivos dependen deltipo de material que se desea atacar y el tipo de fase que se desea observar.El procedimiento que se utiliz para realizar el ataque qumico se muestra en

la fotografa 4.

Fotografa 4. Ataque qumico con Nital al 2%.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de metalografa de la UniversidadFrancisco de Paula Santander. 2011

Observacin metalogrfca. Finalmente, la muestra se lleva a unmicroscopio ptico (ver fotografa 5) y se observan a diferentes aumentospara determinar el tipo de estructura que forma el material.

Fotografa 5. Observacin de la muestra en el microscopio.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de metalografa de la UniversidadFrancisco de Paula Santander. 2011.


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Segn la norma ASTM A247-67 las probetas se deben observar a 100x y sinataque qumico para determinar el tamao de los flecos de grafito y el tipo de lafundicin como se muestra en la fotografa 6.

Fotografa 6. Microestructura de la muestra. Ampliacin 100x sin ataquequmico.


Luego de conocer el tamao de los flecos y el tipo de la fundicin, se debedeterminar la estructura del material, para ello se debe atacar la muestra conNital al 2% y observarla a 200x y 500x, como se muestra en las fotografas 7 y8.

Fotografa 7. Microestructura de la muestra. Ampliacin 200x atacada conNital al 2%.



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Fotografa 8. Microestructura de la muestra. Ampliacin 500x atacada conNital al 2%.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de metalografa de la Universidad

Francisco de Paula Santander. 2011


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Figura 16. Tipos de hojuelas de grafito.

Tipo A: distribucin uniforme, orientacin al azar; Tipo B: agrupamiento en roseta, orientacin al azar; Tipo C: Tamaos sobrepuestos de hojuelas, orientacin al azar; Tipo D:segregacin interdendrtica, orientacin al azar; Tipo E: segregacin interdendrtica orientacin preferida. (Preparada conjuntamente por la ASTM y la AFS).[2]

Fuente: AVNER, Sidney H. Introduccin a la metalurgia fsica 2ed. Mexico. Mc Graw-Hill, 1983, 695 p.


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Figura 17. Longitudes de las hojuelas de grafito.

Longitudes de las hojuelas de grafito mediante campos tpicos lo mas cercanamente posibles a diversos tamaos.(preparada conjuntamente por la ASTM y la AFS).[2]

Fuente: AVNER, Sidney H. Introduccin a la metalurgia fsica 2ed. Mexico. Mc Graw-Hill, 1983, 695 p.


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Resultados. Despus de observar la muestra en el microscopio y comparando lamicroestructura de la fotografa 6 con las microestructuras de las figuras 16 y 17,se determin el tipo de fundicin gris y tamao de los flecos de grafito.

Norma AFSASTM designacin A247-67Aumento: 100x sin ataque qumicoMaterial:hierro gris.Tipo: ATamao: 5Longitud de fleco: - (8mm)

La forma de las hojuelas se clasifica en 5 tipos (A, B, C, D, E). El tipo de hojuelams deseable es el A, que resulta de una estructura eutctica completamenteseparada. En este caso el tamao pequeo de las mismas est determinado por eltamao de los cristales de austenita primaria alrededor del cual se forman. 5

Las caractersticas mecnicas de una fundicin gris son las siguientes:

- Dureza Brinell entre 156 y 302- Resistencia a la traccin entre 150 y 430 MPa- Resistencia a la compresin entre 570 y 1,3 GPa

2.2 ANLISIS QUMICO.

Despus de realizado el anlisis metalogrfico y determinar que el material de laleva, corresponde a una fundicin de hierro gris, se necesita conocer sucomposicin qumica para caracterizar la muestra de acuerdo a sus propiedadesfsicas y mecnicas.

Como la Universidad Francisco de Paula Santander no cuenta con un equipo deespectrofotometra activo, el anlisis qumico se realizo en la Universidad Nacionalde Colombia con sede en Bogot. La fotografa 9 muestra las quemas realizadas ala leva automotriz.

Los resultados entregados por la Universidad Nacional de Colombia (ver AnexoA), muestran que el material corresponde a una fundicin de hierro aleada, lacomposicin qumica se muestra en la tabla 1.

5 ASM Metals Handbook Volume 9Metallography, structures and phases diagrams. United States of America, Prepared under thedirection of the ASM Handbook Committee, 1973, 604 p.


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Fotografa 9. Quemas realizadas en el espectrofotmetro de emisin pticapara el anlisis qumico.

Fuente: Fotografa tomada despus de realizar el ensayo de espectrometra. 2011

Tabla 1. Composicin qumica de la leva automotriz.

COMPOSICIN QUMICA

ELEMENTO PORCENTAJEPROMEDIO

Hierro (Fe) 91.768

Azufre (S) 0.209Molibdeno (Mo) 0.232Aluminio (Al) 0.021

Silicio (Si) 2.292Vanadio (V) 0.008Carbono (C) 3.572Cobre (Cu) 0.316

Manganeso (Mn) 0.533Nquel (Ni) 0.014

Magnesio (Mg) 0.002Fosforo (P) 0.012Cromo (Cr) 0.728Estao (Sn) 0.001

Boro (B) 0.003Titanio (Ti) 0.024Plomo (Pb) 0.007Zinc (Zn) 0.024


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Aleacin de hierro gris.6 Un hierro fundido aleado es aquel que contiene unelemento o elementos especialmente aadidos en suficiente cantidad paraproducir una modificacin en las propiedades fsicas o mecnicas que se puedenmedir. Los elementos de aleacin se aaden al hierro fundido para fines

especiales como resistencia a la corrosin, al calor o al desgaste y para mejorarlas propiedades mecnicas. Los elementos de aleacin ms comunes son elcromo, el cobre, el molibdeno, el nquel y el vanadio. La funcin del cromo esincrementar el carbono combinado, en pequeas cantidades aumenta laresistencia al desgaste, al calor y la dureza. El cobre es un grafitizador, tiende aromper la cementita maciza y a hacer resistente la matriz. El molibdeno mejora laspropiedades mecnicas como la resistencia a la fatiga, la resistencia tensil, laresistencia al calor y la dureza del hierro fundido. El vanadio es un formador decarburos muy potente que estabiliza la cementita y reduce la grafitizacin, laadicin en pequeas cantidades incrementa la resistencia tensil y la dureza. Elpropsito del nquel en los hierros grises es controlar la estructura, mejora laresistencia a la abrasin y en grandes cantidades mejora la resistencia al calor y ala corrosin.

2.3 ENSAYO DE DUREZA

Para clasificar los hierros grises segn la norma ASTM especificacin A48 esimportante conocer su dureza, para ello se le realiz a la leva automotriz unensayo de dureza (ver fotografa 10) en la escala Rockwell C en las instalacionesdel laboratorio de tratamientos trmicos del Servicio Nacional de Aprendizaje(SENA) con sede en Ccuta

Fotografa 10. Ensayo de dureza.

Fuente: fotografa tomada en el laboratorio de tratamientos trmicos del SENA.2011

6AVNER, Sidney H. Introduccin a la metalurgia fsica 2ed. Mexico. Mc Graw-Hill, 1983, 695 p.


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El ensayo arroj una dureza promedio de 24 en la escala Rockwell C en lasuperficie, lo que equivale a una dureza de 247 BHN y en el contorno, la durezapromedio es de 51 en la escala Rockwell C lo que equivale a 494 BHN. Losvalores de dureza obtenidos en el ensayo se muestran en la tabla 2.

La razn por la cual se presenta una diferencia de dureza entre la superficie y elcontorno, es porque en el contorno se realiza un tratamiento trmico localizado porinduccin que genera una capa endurecida. En la fotografa 11 se muestran lashuellas del indentador despus de realizado el ensayo de dureza.

Las levas de hierro gris reciben un tratamiento especial llamado fosfatizado; Elfosfatizado es una cubierta de fosfato de manganeso de hierro que se obtienemediante el tratamiento qumico de la pieza, en un bao a alta temperatura desoluciones qumicas especiales compuestas de manganeso. Tiene gran capacidadde absorcin de aceite, de manera que al comenzarse el uso del rbol de levas, eldelicado contorno de las mismas no sufre las consecuencias del contacto de hierrocontra hierro, evitando el consiguiente desgaste.

Fotografa 11. Huellas del indentador en las superficies de la leva automotrizen el ensayo de dureza.

Fuente: Fotografa tomada despus de realizar el ensayo de dureza. 2011


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Tabla 2. Datos ensayo de dureza.

SENA

LABORATORIO DE TRATAMIENTOS TRMICOS

ENSAYO DE DUREZA ROCKWELL C

Indentador: Punta de diamante 120Carga: 150 N/mm2

SUPERFICIE SUPERFICIE DE CONTACTO

ROCKWELL C BRINELL ROCKWELL C BRINELL22 238 51 49424 247 50 485

24 247 53 53226 261 50 485

Una vez realizados las pruebas de laboratorio a la leva automotriz tomada comobase para este estudio, se determin que el material del que est hecha es unafundicin gris ASTM 35.

2.4 PRUEBAS DE RESORTES.

Se realiz una prueba de compresin a los resortes de las vlvulas de admisin yescape, para determinar la constante de rigidez; esta prueba se realiz en tresresortes como se muestra en la fotografa 13. La prueba se realiz en la mquinaVersa Loader de doble anillo fabricada por Soil Test (ver fotografa 12) que seencuentra en el laboratorio de suelos de la Universidad Francisco de PaulaSantander. Los datos y grficas de la prueba de cada resorte se pueden observaren el anexo B.


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Fotografa 12. Maquina Versa Loader.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de suelos de la Universidad Franciscode Paula Santander. 2011

Fotografa 13. Resortes de vlvulas de motores de combustin interna.

Fuente: Fotografa tomada en el laboratorio de suelos de la Universidad Franciscode Paula Santander. 2011

El resorte de vlvula utilizado para el desarrollo del proyecto es de paso constante,con una longitud libre de 52 mm con un dimetro exterior de 30 mm y un dimetrointerno de 22 mm.

Realizadas las pruebas de compresin a tres resortes de vlvulas de admisin yde escape de los motores de combustin interna, se obtuvieron una serie de datosde los cuales se tom el promedio para hallar la constante de rigidez, los datos semuestran en la tabla 3 y en la grfica 1.


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Resultados de las pruebas de compresin a los resortes de las vlvulas delos motores de combustin interna.

Tabla 3. Datos de carga y deformacin promedio de los resortes.

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

LABORATORIO DE SUELOS

ENSAYO DE COMPRESIN A LAS RESORTES DE LAS VLVULAS DE LOSMOTORES DE COMBUSTIN INTERNA.

SISTEMA INGLES SISTEMA MTRICO

DEFORMACIN(x10-3 pulg) CARGA(Lb) DEFORMACIN(mm) CARGA(N)50 22.67 1,27 100.97

100 47.67 2,54 212.33150 74.33 3,81 331.12200 102.33 5,08 455.85250 132.67 6,35 590.97300 165 7,62 735350 197.67 8,89 880.52400 231.67 10,16 1031.97450 267 11,43 1189.36

500 300.67 12,7 1339.33550 344.33 13,97 1533.85600 384 15,24 1710.55650 424.33 16,51 1890.21700 452 17,78 2013.45750 473 19,05 2107800 500 20,32 2227.27850 518.67 21,59 2310.42


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Grfica 1. Carga Vs. Deformacin promedio de los resortes.

Ajuste de curvas. Para determinar la pendiente de las grficas se ajustan a una

recta mediante el mtodo de mnimos cuadrados. En la tabla 4 y en la grfica 2 semuestran los datos promedio ajustados.

(5)

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

0 5 10 15 20 25

Carga(N)

Deformacin (mm)

CARGA Vs. DEFORMACIN (promedio)


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(6)

(7)Tabla 4. Datos de carga y deformacin ajustada promedio de los resortes.

UNIVERSIDAD FRANCISCO DE PAULA SANTANDER

AJUSTE DE LA CURVA DE LOS DATOS DEL RESORTE

DEFORMACIN(mm)

CARGA(N) * CARGA (N)AJUSTADA

1,27 100.97 128.23 1,61 39.602,54 212.33 539.33 6,45 186.563,81 331.12 1261.57 14,52 333.535,08 455.85 2315.71 25,81 480.496,35 590.97 3752.66 40,32 627.467,62 735 5600.70 58,06 774.42

8,89 880.52 7827.78 79,03 921.3810,16 1031.97 10484.81 103,23 1068.3511,43 1189.36 13594.43 130,64 1215.3112,7 1339.33 17009.53 161,29 1362.28

13,97 1533.85 21427.86 195,16 1509.2415,24 1710.55 26068.71 232,26 1656.2116,51 1890.21 31207.40 272,58 1803.1717,78 2013.45 35799.22 316,13 1950.1319,05 2107 40138.35 362,90 2097.1020,32 2227.27 45258.18 412,90 2244.06

21,59 2310.42 49882.06 466,13 2391.03 194,31 20660.18 312296.54 2879,03


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Grfica 2. Carga Vs. Deformacin ajustada promedio.

De las pendientes obtenidas de los tres resortes se calcula una pendientepromedio equivalente a la constante de rigidez del resorte.

(8)

0,00

500,00

1000,00

1500,00

2000,00

2500,00

3000,00

0 5 10 15 20 25

Carga(N)

Deformacin (mm)

CARGA Vs. DEFORMACION AJUSTADA (promedio)


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Para calcular la fuerza a la que es sometido el sistema leva-seguidor es necesarioconocer la constante de rigidez del resorte de vlvula y la distancia que este sedeforma en cada una de sus posiciones de operacin.

(9)En este proyecto se analiza una leva automotriz con una elevacin mxima de 6mm y una deformacin inicial en los resortes de las vlvulas de admisin y escapede 11 mm7para garantizar el contacto en el mecanismo levaseguidor en la zonade reposo de las vlvulas de admisin y escape en los motores de combustininterna. El valor de la constante de rigidez del resorte calculado en la ecuacin 8 yla deformacin que este presenta en cada posicin de operacin, se reemplazanen la ecuacin 9 para determinar la fuerza a la que el mecanismo est sometido

durante su funcionamiento.

Fuerza aplicada en la zona de reposo de las vlvulas de admisin y escape en losmotores de combustin interna.

Fuerza aplicada en la mitad de la elevacin (3 mm) de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna.

Fuerza aplicada en la posicin de apertura mxima (6 mm) de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna.

7 GENERAL MOTOR COMPANY. CHEVROLET Cheyenne. Engine department.


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3. MODELAMIENTO GEOMTRICO

Existen diferentes movimientos que describen el perfil de las levas, estosmovimientos deben escogerse dependiendo del requerimiento en la aplicacin, enel caso de las levas automotrices el perfil determina el momento de apertura ycierre de las vlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna.

En este captulo se realiza el modelamiento de la geometra del perfil de la levaautomotriz utilizando el movimiento armnico simple, cicloidal, parablico ytrapezoidal. Se utiliz Microsoft Excel como herramienta para generar las curvasde los movimientos mencionados anteriormente.

Las coordenadas de X y Y para obtener el perfil de la leva se obtienen de lassiguientes ecuaciones, donde Ro es el radio del circulo primario de la leva y R r esel radio del rodillo y es el ngulo de presin.

(10)

(11)

(12)

(13)

3.1 MOVIMIENTO ARMNICO SIMPLE

Este tipo de movimiento es ideal cuando se desea realizar un desplazamiento delseguidor de subida y de bajada sin detenciones ya que tiene velocidades yaceleraciones que son funciones continuas. El diagrama de desplazamiento delmovimiento armnico simple se muestra en la figura 18.


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Figura 18. Diagrama de desplazamiento del movimiento armnico simple.

Ecuaciones del movimiento armnico simple.8 De acuerdo a la figura 18 seobtiene las ecuaciones para los tramos del movimiento armnico simple. Conestas ecuaciones se genera el perfil de la leva automotriz que se muestra en lagrfica 3.

Tramo 1 0

(14)

(15)

Tramo 2 (16)8MABIE, Hamilton y REINHOLTZ Charles F. Mecanismos y Dinmica de maquinaria 2 Ed. Mxico: Limusa Wiley, 2002, 713 p.


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(17)

Grfica 3. Perfil de la leva automotriz con movimiento armnico simple.

3.2 MOVIMIENTO CICLOIDAL.

Es un movimiento adecuado cuando se desea que el seguidor realicedesplazamientos de subida y de bajada entre detenciones ya que tiene


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aceleraciones nulas al inicio y al final, ajustndose a las aceleraciones nulas de lasdetenciones. El diagrama de desplazamiento del movimiento cicloidal se muestraen la figura 19.

Figura 19. Diagrama de desplazamiento del movimiento cicloidal.

Ecuaciones del movimiento cicloidal.9De acuerdo a la figura 19 se obtiene lasecuaciones para los tramos del movimiento cicloidal. Con estas ecuaciones segenera el perfil de la leva automotriz que se muestra en la grfica 4.

Tramo 1 0 (18)

(19)Tramo 2

(20)

9MABIE, Hamilton y REINHOLTZ Charles F. Mecanismos y Dinmica de maquinaria 2 Ed. Mxico: Limusa Wiley, 2002, 713 p.


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(21)

Grfica 4. Perfil de la leva automotriz con movimiento cicloidal.

3.3 MOVIMIENTO UNIFORMEMENTE VARIADO.10

En la prctica, sobre todo al disear levas para los rganos de distribucin en los

motores, con frecuencia se aplica la ley del movimiento uniformemente variado.Para esta ley, el seguidor al principio se desplaza con la aceleracin constante a 1y luego, la marcha uniformemente se retarda con la desaceleracin constante a 2.El diagrama de desplazamiento del movimiento uniformemente variado se muestraen la figura 20.

10BARANOV, G.G. Curso de la teora de mecanismos y mquinas. 1 Ed. URSS, Mir Mosc, 1979. 527p.


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La relacin en la prctica se toma mayor de 1 y alcanza un valor de hasta 4.

(22) (23)

De donde:

(24)Realizando una analoga para las elevaciones correspondientes, se obtiene:

(25)Figura 20. Diagrama de desplazamiento del movimiento uniformementeacelerado.


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Ecuaciones del movimiento uniformemente variado.De acuerdo a la figura 20se obtiene las ecuaciones para los tramos del movimiento uniformementeacelerado. Con estas ecuaciones se genera el perfil de la leva automotriz para unvalor de K entre 1 y 4 como muestra en las grficas 5 a 8.

Tramo 1 0

(26)

(27)

Tramo 2

(28)

(29)

Tramo 3

(30)

(31)


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Grfica 5. Perfil de la leva automotriz con movimiento uniformementeacelerado para K=1


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Grfica 6. Perfil de la leva automotriz con movimiento uniformementeacelerado para K=2.


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3.4 MOVIMIENTO TRAPEZOIDAL

En el movimiento trapezoidal se deben variar los valores de de forma tal que al

reemplazarse en las ecuaciones del movimiento satisfaga el perfil real de la levaautomotriz analizada.

Los valores de que mas se ajustan al perfil real de la leva automotriz analizadason 1, 2y 3igual a 30 como se muestra en la grfica 9. Las demas variacionesde se muestran en el anexo C.

Ecuaciones del movimiento trapezoidal. De acuerdo a la figura 21 se obtienelas ecuaciones para los tramos del movimiento trapezoidal.

Figura 21. Diagrama de desplazamiento del movimiento trapezoidal.


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TRAMO 1 0 1 (32)

(33)

TRAMO 2 1 (1+ 2)

(34)

(35)

TRAMO 3 (1+ 2)

(36)

(37)

(38)TRAMO 4 + 5

(39)


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(40)

TRAMO 5 + 5

(41)

(42)


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Grfica 9. Perfil de la leva automotriz con movimiento trapezoidal.

Por medio de la comparacin visual entre la leva real y las graficas del perfil

obtenidas en cada movimiento, se concluye que los movimientos anteriores no seajustan al perfil real de la leva automotriz analizada.

-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20

25

-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20

MOVIMIENTO TRAPEZOIDAL(1=2=3=30)


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Generalmente, el perfil de una leva automotriz comprende los siguientes tramos,11(ver figura 22).

Tramo de circunferencia de radio A, que se define como circulo base o descanso,al que corresponde el periodo de cierre de la vlvula.

Tramo de circunferencia de radio B, definido como cresta, que corresponde a lafase de apertura mxima.

Dos tramos C rectilneos o curvilneos tangentes a los anteriores, llamadosflancos, que corresponden a los inicios de apertura y cierre de vlvulas.

Figura 22. Perfil general de la leva automotriz.

Fuente: Programa Rynoceros 7.0

11http://www.cesaramoroso.com/esp/produccion/arboles/produccionarb.html


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3.5 PROCESO DE INGENIERA INVERSA

Se realiza un procedimiento de ingeniera inversa, es decir, partiendo de la

geometra real de la leva y mediante el programa Rynoceros 7.0 se obtienen lasecuaciones que describen el perfil de la leva automotriz. Inicialmente se tomo unaimagen a escala real del perfil de la leva automotriz y se importo al programa dediseo grafico Rynoceros 7.0. Se descompone la geometra de la leva automotrizen los elementos que la forman como se muestra en la figura 23.

Figura 23. Descomposicin de la geometra de la leva automotriz.


Los tres crculos pequeos forman el arco que le da el perfil a la cresta de la levaautomotriz, el perfil de la leva se completa uniendo la cresta con el crculo basemediante dos lneas rectas tangentes a ellos, el resultado del perfil de la levaautomotriz se muestra en la figura 24.


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Figura 24. Perfil de la leva automotriz generado en Rynoceros 7.0.


Por ltimo, se acota el perfil de la leva automotriz (ver figura 25) para obtener lascoordenadas que permitan obtener las ecuaciones correspondientes a cada tramodel perfil.

Figura 25. Perfil de la leva automotriz acotado en Rynoceros 7.0.


Ecuaciones de los tramos del perfil de la leva automotriz. Partiendo de lageometra de la leva automotriz obtenida en Rynoceros 7.0 se deducen lasecuaciones que describen cada tramo del perfil, las ecuaciones se muestran en latabla 5, el perfil de la leva obtenido con estas ecuaciones se muestra en la grfica10.


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Tabla 5. Ecuaciones del perfil real de la leva automotriz.

TRAMO PERFIL ECUACI N

cresta(-4.5 x 4.5)

recta derecha(4.5 x 12.07)

derecho(12.07 x 16)

Semicrculo

inferior(16 x -16)

izquierdo(-16 x -12.07)

recta izquierda(-12.07 x -4.5)


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Grfica 10. Perfil real de la leva automotriz analizada.

-20,00

-15,00

-10,00

-5,00

0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

-20,00 -15,00 -10,00 -5,00 0,00 5,00 10,00 15,00 20,00

PERFIL REAL DE LA LEVA AUTOMOTRIZ


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4. ANLISIS DE ESFUERZOS EN LEVAS AUTOMOTRICES MEDIANTE ELMTODO DE ELEMENTOS FINITOS

4.1 ANLISIS ESTRUCTURAL

El anlisis estructural es probablemente la aplicacin ms comn del mtodo deelementos finitos. El trmino estructural (o estructura) no implica slo lasestructuras de ingeniera civil como puentes y edificios, sino tambin naval,aeronutico y de las estructuras mecnicas, tales como cascos de buques, loscuerpos de las aeronaves, y las carcasas de mquinas, as como los componentesmecnicos, tales como pistones, piezas de mquinas y herramientas.

Anlisis esttico. Este tipo de anlisis se utiliza para determinar tensiones,

desplazamientos, deformaciones y las fuerzas en estructuras o componentes bajocondiciones de carga esttica. En anlisis estticos se asume que las cargas sonconstantes, es decir, que las cargas varan muy lentamente con respecto altiempo.

4.2 SIMULACIN NUMRICA

La simulacin numrica12se define como la recreacin matemtica de un procesoo sistema natural en el cual se realiza su representacin para instantes

consecutivos, que permiten analizar su comportamiento para determinadosvalores de condiciones de frontera e iniciales, variaciones de tamao, forma, etc.

La simulacin numrica se utiliza en casos donde las leyes de la naturaleza estngobernadas por sistemas de ecuaciones no lineales o que no son fcilmentereproducibles en el laboratorio.

Si bien, esta herramienta no elimina del todo la fabricacin de prototipos omodelos a escala, disminuye esta necesidad en una buena proporcin reduciendo

los costos de un proceso particular de investigacin.

12BELTRN, Francisco. Teora general de elementos finitos. ETS. Madrid 1999.


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4.3 ETAPAS DE LA SIMULACIN NUMRICA

El anlisis de esfuerzos se realiz utilizando los datos recolectados durante lainvestigacin y siguiendo las etapas que se aplican en un proceso de simulacinnumrica.

4.4 MODELAMIENTO GEOMTRICO

La primera etapa del proceso de simulacin numrica es la creacin del modelogeomtrico sobre el cual se realiza el anlisis. Para este caso cre un modelotridimensional de leva y seguidor de rodillo que permite observar el contacto quese produce en este mecanismo en los motores de combustin interna.En la figura 26 a 28 se muestra el modelo geomtrico de la leva y el seguidor de

rodillo en sus posiciones de funcionamiento durante el ciclo termodinmico en losmotores de combustin interna.

Figura 26. Apertura mxima de las vlvulas de admisin y escape en losmotores de combustin interna.

Fuente Software ANSYS 10.0 Universidad Francisco de Paula Santander


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Figura 27. Zona de reposo de las vlvulas de admisin y escape en losmotores de combustin interna.


Figura 28. Inicio de apertura y cierre de las vlvulas de admisin y escape en

los motores de combustin interna.


4.5 APLICACIN DE LAS PROPIEDADES DEL MATERIAL

El mecanismo leva-seguidor de rodillo est compuesto por dos materialesdiferentes, la leva es fundicin de hierro gris y el rodillo es de acero. Laspropiedades de los materiales utilizadas para realizar el anlisis se muestran en latabla 6.


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Tabla 6. Propiedades de los materiales.

PIEZA MATERIAL

PROPIEDADES

Modulo deelasticidad

Coeficientede Poisson

Coeficientede dilatacin

trmica

LevaHierro fundidogris (ASTM 35) 110.3 Gpa 0.211 9.2 x10-6C-1

Seguidor Acero 207 Gpa 0.3 11.5 x10-6C-1

Fuente: Gonzlez, Carlos y Zeleny, Ramn. Metrologa.Editorial McGRAW-HILL.Mxico, 1997. Primera edicin. Pg. 64

4.6 DISCRETIZACIN EN ELEMENTOS FINITOS.

Una vez creado el modelo geomtrico, se procedi a su discretizacin enelementos finitos mediante el generador de malla libre disponible en el mdulo

STRUCTURAL del programa ANSYS 10.

Seleccin de los elementos13. Para seleccionar el tipo de elemento se sigue laruta preprocessor/Element Type/add_edit_delete/add y se busca en la libreralos elementos necesarios para el desarrollo del modelo, en la definicin de lostipos de elementos hay que tener en cuenta que estos permitan como datos deentrada las caractersticas fsicas y mecnicas del modelo a desarrollar y comodatos de salida las caractersticas a medir mediante el anlisis.

Los elementos utilizados para el anlisis son Solid 92 que permite realizar anlisisestticos estructurales, Target 170 y Conta 175 que se utilizan para realizaranlisis donde se presente contacto entre superficies.

13ANSYS 10.0 User s Guide. Element Library. SOLID92.


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Geometra de los elementos seleccionados. A continuacin se presenta lascaractersticas de los elementos seleccionados para realizar el anlisis.

SOLID 92 (3-D 10-Node Tetrahedral Structural Solid). El elemento SOLID92tiene un comportamiento de desplazamiento de segundo grado y est bienadaptado al modelo de mallas irregulares.

Este elemento se define por diez nodos con tres grados de libertad en cada nodo:traslaciones en el nodo en direcciones x, y, z como se muestra en la figura 29. Elelemento tambin tiene plasticidad, fluencia, rigidez, el esfuerzo, y capacidades degran tensin.

Figura 29. Geometra del elemento SOLID 92.


TARGET 170 (Superficie de destino)14. Se utiliza para representar diferentessuperficies tridimensionales asociadas con elementos de contacto. La geometradel elemento Target 170 se muestra en la figura 30. Este elemento es llamado

TARGET, z conjunto de elementos y esta emparejado con su superficie de contacto a travsde un conjunto de constantes reales compartidas.

14ANSYS 10.0 Users Guide. Element Library. TARGET 170


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Los elementos de contacto se superponen a los elementos slidos que describenlos lmites de un cuerpo deformable que esta potencialmente en contacto con la (TARGET SURACE) P l TARGET que una entidad geomtrica en el espacio que detecta y responde cuando uno o

ms elementos de contacto se mueven en un segmento del elemento de lasuperficie de destino.

La superficie de destino (TARGET SURFACE), se modela a travs de variosT , l l con una forma especfica. El elemento TARGET 170 soporta ocho tipos desegmentos tridimensionales. Se puede imponer cualquier desplazamiento detranslacin o rotacin, temperatura, voltaje, potencial magntico, fuerzas ymomentos en estos elementos de destino (TARGET 170).

Figura 30. Geometra del elemento Target 170.


CONTA 175 (Superficie de contacto)15. El l CONTA175 utilizado para representar contacto y deslizamiento entre dos superficies (o entreun nodo y una superficie, o entre una lnea y una superficie) en 2D o 3D. Lageometra del elemento Conta 175 se observa en la figura 31. Este elemento debesituarse en la superficie del cuerpo solido, el contacto se produce cuando lasuperficie del elemento CONTA 175 penetra en uno de los segmentos delelemento TARGET 170 en una superficie de destino especificado.

15ANSYS 10.0. User s Guide. Element Library. CONTA 175.


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Figura 31. Geometra del elemento Conta 175.


En las figuras 32 a 34 se presenta el enmallado del modelo geomtrico sin refinaren las posiciones de funcionamiento, el enmallado se realiz utilizando la opcinsmart size para malla libre en volmenes.

Figura 32. Enmallado sin refinar en la apertura mxima de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna.



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Figura 33. Enmallado sin refinar en la zona de reposo de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna.


Figura 34. Enmallado sin refinar en el inicio de apertura y cierre de lasvlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna.



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4.6.3 Refinamiento del enmallado. El proceso de refinamiento consiste en dividirel modelo en un nmero mayor de elementos, de modo que el tamao de loselementos sea menor, hasta lograr que los resultados se estabilicen.

En este anlisis se realiz el proceso de refinamiento en la zona donde sepresenta contacto entre las superficies, y se toman como referencia los esfuerzosde Von Misses (SEQV) para estimar si se alcanza la estabilidad en los resultados.En la figura 35 se muestra un diagrama de flujo que representa el proceso derefinamiento.

Figura 35. Diagrama de flujo de proceso de refinamiento.

Contacto entre superficies cilndricas.Al estudiar el contacto entre dos cuerpos,la superficie de un cuerpo normalmente se toma como una superficie de contacto

(CONTACT) y la superficie del otro cuerpo como una superficie de destino(TARGET).

El "CONTACT-TARGET" es un concepto de pareja que ha sido ampliamenteutilizado en las simulaciones de elementos finito P -lxl, lsuperficie de contacto est asociada con el cuerpo deformable y la superficie de


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destino (TARGET), debe ser la superficie rgida y para contacto entre dos cuerposlxl, , CONTACT-TARGET, asociados con cuerposdeformables.

Las superficies de contacto (CONTACT) y la de destino (TARGET), constituyen " , l l 36.

Figura 36. Contacto entre superficies cilndricas.


Opciones de contacto16. Con el fin de caracterizar adecuadamente la complejainteraccin entre las superficies en un anlisis dinmico explcito, veinticuatrodiferentes tipos de contacto se han incorporado en el programa ANSYS 10. Conun nmero tan grande de opciones de contacto, es sumamente importante tener

una comprensin de cada tipo de contacto, para que la opcin de un contactoadecuado se pueda utilizar y de esta forma modelar con realismo un fenmenofsico. Se puede elegir entre tres tipos bsicos de contacto en elprograma ANSYS 10:

16ANSYS 10.0. Users Guide. Contact Surfaces. Contact Options.


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Single surface contact.Contacto con la superficie solo se establece cuando lasuperficie de un cuerpo entra en contacto con la superficie de otro cuerpo. Ensingle surface contact, el programa ANSYS 10 determina automticamente lassuperficies dentro de un modelo que pueden entrar en contacto. Por lo tanto,

single surface contact solo es el tipo ms simple de definir, porque no se requieredefinir superficies de contacto ni de destino. Cuando este se define, permite quetodas las superficies externas dentro de un modelo puedan entrar en contacto.Esta opcin puede ser muy til para problemas de deformacin en las reasgenerales de contacto cuando estas no son conocidas de antemano. La mayorade las aplicaciones de impacto y choque dinmico que requerirn single surfacecontact para ser definidas. Se recomienda como primera opcin para problemasde contacto entre si y problemas de grandes deformaciones, cuando lascondiciones de contacto no son fciles de predecir.

Surface-to-surface contact. Se establece cuando una superficie de un cuerpo

penetra en la superficie de otro cuerpo. Surface-to-surface contact es el tipo msgeneral de los contactos, como es de uso comn para las entidades que tienenformas arbitrarias en las reas de contacto relativamente grande. Este tipo decontacto es el ms eficiente para los cuerpos que experimentan una gran cantidadde deslizamiento relativo, como un bloque que se desliza sobre un plano o unaesfera deslizante en una ranura. En la figura 37 se muestra la creacin de unelemento de contacto surface to surface.

Figura 37. Contacto superficie-superficie.



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Node-to-surface contact. Es un tipo de contacto que se establece cuando unnodo de contacto penetra en una superficie de destino. Este tipo de contacto seutiliza normalmente para contacto general entre dos superficies. Utiliza las mismasl TARGET SURACE CONTACT

SURACEEn la figura 38 se muestra la creacin de un elemento de contactoNode to surface.

Figura 38. Contacto nodo-superficie.


4.7 APLICACIN DE RESTRICCIONES Y CARGAS

Al realizar un anlisis en elementos finitos, se deben considerar las restricciones ycargas que se presenten en el modelo. La determinacin de dichas restricciones ycargas implica un alto grado de dificultad y un conocimiento profundo del problemade estudio.

Como el anlisis se realiza en un modelo simtrico, solo se utiliza un cuarto de lageometra sobre el cual se aplican las restricciones y cargas. Las restricciones quese aplican para el desarrollo de este anlisis son:


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Condicin de simetra (Symmetry B.C).Esta condicin es aplicada solo a unaporcin de un modelo geomtrico que presente simetra como se muestra en lafigura 39 donde las S alrededor de las reas simbolizan la simetra del modelo.

Figura 39. Aplicacin de la condicin de simetra.


Restriccin de desplazamiento. Esta restriccin se aplica en el rea inferior de laleva automotriz como se muestra en la figura 40 para evitar que se desplace en eleje Y mientras esta rota.

Figura 40. Restriccin de desplazamiento en Y en la leva automotriz.



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Aplicacin de la carga. La carga que se calcul anteriormente en el numeral 2.4prueba de resortes se aplica sobre el rodillo como se muestra en la figura 41.

Figura 41. Aplicacin de la carga.


Acoplamiento (Coupilng / ceqn). Cuando se genera un modelo, por lo generaldefinen las relaciones entre los diferentes grados de libertad mediante el uso deelementos para conectar los nodos. Sin embargo, a veces se necesita ser capazde modelar las caractersticas distintivas como regiones rgidas, juntasestructurales, condiciones de deslizamientos simtricos y otras conexionesinternodales especiales que no puede ser adecuadamente descrita con loselementos. Se puede establecer tales asociaciones especiales entre los grados delibertad nodales mediante el uso de acoplamientos y restricciones. El uso de estastcnicas permite vincular los grados de libertad de una forma que los elementos nopermiten.

Las aplicaciones tpicas para Coupled DOFs incluyen: 1) mantener la simetra enlos modelos parciales, 2) la formacin de pin, bisagra universal, y lasarticulaciones deslizante entre dos nodos coincidentes, y 3) obligar a las partes desu modelo a comportarse como cuerpos rgidos.


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En la figura 42 se muestra un acoplamiento que ayuda a mantener la simetraparcial en el modelo geomtrico.

Figura 42. Acoplamiento entre las superficies.


Temperatura. Los arboles de levas en los motores de combustin interna trabajanbajo temperaturas muy altas lo que ayuda a que se genere un mayor desgaste enla superficie de las levas, por lo tanto se considera una temperatura de operacinde 100 C17 para observar el comportamiento de los esfuerzos bajo esta

condicin.

4.8 SOLUCIN

Las simulaciones se realizaron teniendo en cuenta las restricciones por simetra,desplazamiento, carga y temperatura. Se seleccion un anlisis esttico bsicoen el cual se debe especificar las opciones de anlisis que se deseanrealizar. (Aqu se incluyen los grandes efectos de deformacin, grandesrotaciones y / o grandes tensiones, dependiendo del tipo de elemento que seutiliza).

17Sistema de enfriamiento de los motores de combustin interna. Documento en lnea. (Citado 05 de Julio de 2011): disponible eninternet: http:.//www.conae.gob.mx/work/sites/CONAE/resources/localcontent/4084/1/sistema_de_enfriamiento.pdf


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Para el anlisis se utiliz la opcin Large displacement basic y 100 para el valor detiempo de ANSYS para asociarse con las condiciones de contorno en el final de lafase de carga como se muestra en la figura 43. Esto permite realizar unanlisis esttico no lineal (es decir, un anlisis esttico en el que grandes

efectos de deformacin estn incluidos).

Figura 43. Opciones de solucin.


4.9 RESULTADOS DE LA SIMULACIN NUMRICA

Como resultado del anlisis se obtienen las distribuciones del esfuerzo de VonMisses, los esfuerzos principales y las deformaciones, entre otras variables quecaracterizan el modelo de estudio y cuya magnitud puede determinarse para cadauno de los nodos empleados en la discretizacin En la figura 44 se muestran lasdiferentes soluciones nodales disponibles en ANSYS 10.


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Figura 44. Soluciones nodales.


Resultados en la posicin de mxima apertura de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna. En la tabla 7 se puedenobservar los resultados obtenidos en la simulacin del modelo antes de realizar elproceso de refinamiento.

Tabla 7. Valores crticos de la solucin nodal sin refinamiento de esfuerzosS1, S2, S3 y SEQV para la posicin de mxima apertura de las vlvulas deadmisin y escape en los motores de combustin interna.

ESFUERZOS EN LEVA AUTOMOTRIZ

Valores mnimos Valores mximos

S1 S2 S3 SEQV S1 S2 S3 SEQV

Valor -139 -331.11 -1138.6 4.8177 224.72 52.592 15.526 945.75

Nodo 337 335 337 432 1244 1241 1241 337


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Tabla 7. (Continuacin)

ESFUERZOS EN SEGUIDOR DE RODILLO



Valor -218.77 -356.96 -1601.6 1.0091 312.02 196.16 48.229 1350.7

Nodo 68 68 68 12 211 209 209 66

S1 = Primer esfuerzo principal (Mpa)

S2 = Segundo esfuerzo principal (Mpa)S3 = Tercer esfuerzo principal (Mpa)SEQV = Esfuerzo de Von Misses (Mpa)

El modelo se somete a un proceso de refinamiento para encontrar la estabilidaden los resultados, en la tabla 8 se muestra los resultados obtenidos en cadarefinamiento y se toma como referencia el esfuerzo de Von Misses paradeterminar la estabilidad del modelo y en la figura 45 se muestra el refinamientorealizado en la zona de contacto entre la leva y el seguidor de rodillo.

Tabla 8. Resultados obtenidos en el proceso de refinamiento para la posicinde mxima apertura de las vlvulas de admisin y escape en los motores decombustin interna.

LEVA AUTOMOTRIZ

REFINAMIENTO NUMERO DEELEMENTOS

SEQV* UX* UY* UZ*

0 805 945.75 0.001744 0.03148 0.0053476

1 1945 2284 0.002354 0.03690 0.006473

2 2965 2486.20 0.002541 0.03750 0.006812* Valor absoluto


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Tabla 8. (Continuacin)

SEGUIDOR DE RODILLO

REFINAMIENTO NUMERO DEELEMENTOS SEQV* UX* UY* UZ*

0 168 1350.7 0.001744 0.03148 0.0053476

1 650 2590.8 0.002354 0.03690 0.0064732 1030 2658.2 0.002541 0.03750 0.006812

* Valor absoluto

SEQV = Esfuerzo de Von Misses (Mpa)UX = Desplazamiento en la direccin X (mm)UY = Desplazamiento en la direccin Y (mm)UZ = Desplazamiento en la direccin Z (mm)

Figura 45. Refinamiento de la zona de contacto para la posicin de aperturamxima de las vlvulas de admisin y escape en los motores de combustininterna.


La tabla 9 muestra los valores de los esfuerzos y las deformaciones en el sistemaleva- seguidor, cuando estos han alcanzado estabilidad en la posicin deoperacin especificada.


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Tabla 9. Valores estables de la solucin nodal de esfuerzos S1, S2, S3, SEQVY USUM para la posicin de apertura mxima de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna.

LEVA AUTOMOTRIZ

Valores estables*S1 S2 S3 SEQV USUM

Valor 732 792.18 2838.1 2284 0.036932Nodo 2484 1582 1582 1583 3480

* Valor absoluto

SEGUIDOR DE RODILLO

Valores estables*S1 S2 S3 SEQV USUM

Valor 584.29 915.47 3245.5 2590.8 0.036932Nodo 1424 3357 3357 3357 3480

* Valor absoluto

USUM = resultante del desplazamiento (mm)

En la figura 46 se muestran los esfuerzos de Von Misses en el mecanismo leva-seguidor, as como los valores mximos en cada componente de este. En la figura47 se observa la distribucin de esfuerzos en la lnea de contacto entre la leva y elseguidor de rodillo.


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Figura 46. Esfuerzos de Von Misses estables en la zona de apertura mximade las vlvulas de admisin y escape de los motores a combustin interna.


Figura 47. Distribucin de esfuerzos en la lnea de contacto en la zona deapertura mxima de las vlvulas de admisin y escape de los motores acombustin interna.



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Resultados en la posicin de reposo de las vlvulas de admisin y escape enlos motores de combustin interna. En la tabla 10 se pueden observar losresultados obtenidos en la simulacin del modelo antes de realizar el proceso derefinamiento.

Tabla 10. Valores crticos de la solucin nodal sin refinamiento de esfuerzosS1, S2, S3, SEQV en la posicin de reposo de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna.

ESFUERZOS EN LEVA AUTOMOTRIZ

Valores mnimos Valores mximosS1 S2 S3 SEQV S1 S2 S3 SEQV

Valor -74.32 -170.75 -659.37 0.09152 95.94 26.66 6.28 543

Nodo 532 532 532 535 591 591 424 532

ESFUERZOS EN SEGUIDOR DE RODILLO



Valor -136.30 -234.01 -1028.3 0.66539 231.84 127.31 7.1895 847.41

Nodo 131 131 131 128 174 174 174 131

S1 = Primer esfuerzo principal (Mpa)S2 = Segundo esfuerzo principal (Mpa)S3 = Tercer esfuerzo principal (Mpa)

SEQV = Esfuerzo de Von Misses (Mpa)


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El modelo se somete a un proceso de refinamiento para encontrar la estabilidaden los resultados, en la tabla 11 se muestra los resultados obtenidos en cadarefinamiento y se toma como referencia el esfuerzo de Von Misses paradeterminar la estabilidad del modelo y en la figura 48 se muestra el refinamiento

realizado en la zona de contacto entre la leva y el seguidor de rodillo.

Tabla 11. Resultados obtenidos en el proceso de refinamiento para la zonade reposo de las vlvulas en los motores de combustin interna.

LEVA AUTOMOTRIZ


SEQV* UX* UY* UZ*

0 282 543 0.014785 0.011211 0.0073983

1 849 1209.2 0.0025460 0.027859 0.00288662 1812 1223.6 0.0024462 0.027569 0.0028322

* Valor absoluto

SEGUIDOR DE RODILLO


SEQV* UX* UY* UZ*

0 163 847.41 0.014785 0.011211 0.0073983

1 590 1603.8 0.0025460 0.027859 0.00288662 1311 1908.4 0.0024462 0.027569 0.0028322

* Valor absoluto

Figura 48. Refinamiento de la zona de contacto para la posicin de reposo delas vlvulas de admisin y escape en los motores de combustin interna.



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La tabla 12 muestra los valores de los esfuerzos y las deformaciones en el sistemaleva- seguidor, cuando estos han alcanzado estabilidad en la posicin deoperacin especificada

Tabla 12. Valores estables de la solucin nodal de esfuerzos S1, S2, S3,SEQV y USUM para la posicin de reposo de las vlvulas de admisin yescape en los motores de combustin interna.

LEVA AUTOMOTRIZ

Valores estables*

S1 S2 S3 SEQV USUMValor 217.74 375.05 1046.3 1209.2 0.027908Nodo 11

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