GOI_FMAQ_TAREA 2_JESUS CASTAÑO BLASCO

[Virtual Presenter] La descripción del mecanismo de biela-cigüeñal en motores de combustión interna fue realizada por Jesús Castaño Blasco. Para analizar este componente esencial, es necesario identificar el eslabón más crítico y realizar un análisis computacional detallado de esfuerzos y deformaciones. Esto implica definir las restricciones y materiales para simular el comportamiento de la pieza bajo carga. Además, se analizarán los campos de esfuerzo y deformación y se estudiarán las vibraciones y el comportamiento de la estructura base. El mecanismo de cadena cerrada seleccionado es el cigüeñal y bielas en motores de combustión interna. La elección de este mecanismo permitió a Jesús Castaño Blasco analizar y trabajar con otro tipo de máquinas y ampliar su conocimiento..

[Audio] "El pieza que soporta los mayores estragos bajo condiciones de trabajo es principalmente el pistón y la cabeza del pistón, específicamente cerca de la conexión con el eje cruce y el rodillo conectador. Esto se debe a que el pistón es la componente que conecta el rodillo conectador con el eje cruce y absorbe las fuerzas de compresión y tracción generadas por la combustión. Durante la fase de combustión, las cargas de presión en el pistón son transmitidas al rodillo conectador, quien recibe muy altos estragos, especialmente cerca del pistón y en la conexión con el eje cruce. Por lo tanto, la componente que soporta los mayores estragos en un mecanismo de eje cruce y pistón en una moto de combustión interna es el pistón, especialmente cerca del pistón y en la conexión con el eje cruce.".

[Audio] La biela es un componente esencial en el tren alternativo del motor, transmitiendo las cargas generadas por la combustión desde el pistón hasta el cigüeñal. Para garantizar la integridad estructural de la biela en condiciones operativas extremadamente exigentes, como cargas dinámicas, ciclos de alta frecuencia, requisitos de rigidez y fiabilidad dimensional, es necesario cumplir con ciertos requisitos estructurales clave. Estos requisitos incluyen un límite elástico elevado que evite la plastificación incluso en condiciones transitorias extremas, una alta rigidez longitudinal que limite la deformación axial y mantenga la alineación del conjunto móvil, un buen comportamiento a fatiga para soportar millones de ciclos sin nucleación de grietas, una resistencia al pandeo en la zona de compresión y un diseño libre de concentradores de tensión garantizado por una geometría suave y continua con transiciones bien diseñadas. La forma en que la biela está fijada en el mecanismo también es crucial, ya que determina dónde y cómo se aplica o se restringe el movimiento. El material utilizado en la biela debe cumplir con ciertos requisitos exigentes como alta resistencia a la tracción y compresión, buen comportamiento a fatiga, estabilidad dimensional a elevadas temperaturas y una densidad moderada para limitar el peso del conjunto móvil. Los materiales más utilizados en bielas para motores diésel de camión son los aceros forjados de baja aleación, como el 42CrMo4 o el 38MnVS6, tratados térmicamente para alcanzar resistencias superiores a 800 MPa..

[Audio] La utilización de materiales avanzados en aplicaciones de alto rendimiento requiere un análisis exhaustivo para determinar su viabilidad en diferentes entornos. Los aceros forjados han demostrado ser una opción popular debido a su gran resistencia y menor densidad, lo que los hace ideales para aplicaciones donde se requiere una alta resistencia con un menor peso. Sin embargo, su costo elevado y mayor dificultad de mecanizado limitan su aplicación en vehículos industriales. En la industria de los vehículos pesados, la elección de aceros forjados se basa en una combinación de rendimiento mecánico, coste por unidad y facilidad de integración en procesos industriales existentes. Esto permite cumplir con normas de calidad y seguridad sin incurrir en sobrecostos. Los materiales que se comparan en esta tabla son adecuados para diferentes aplicaciones y deben ser seleccionados según las necesidades específicas de cada proyecto. Para determinar la viabilidad de estos materiales, es necesario utilizar software de análisis para evaluar sus propiedades y comportamientos bajo diferentes condiciones. El diseño estructural de la biela, tal y como se propone en este trabajo, debe demostrar que soporta sin fallo las cargas máximas previstas y presenta una vida útil aceptable bajo fatiga..

[Audio] La geometría del componente no requiere un análisis detallado porque el cambio de geometría no genera tensiones elevadas. El diseño puede integrarse sin comprometer la conformidad del motor con los requisitos de homologación establecidos en la UE. Este enfoque reforza la coherencia entre el diseño computacional, la validación normativa y la evaluación económica posterior. Se utilizarán análisis por elementos finitos (FEM) para obtener la distribución de tensiones dinámicas y identificar zonas críticas. Este enfoque permite simular el comportamiento a largo plazo del componente sin recurrir a ensayos destructivos iniciales. La herramienta de diseño utilizada es SolidWorks 2024. El diseño se ha realizado en la versión Premium, que incorpora mejoras en rendimiento gráfico, capacidades de simulación preliminar y herramientas avanzadas de modelado paramétrico. Las principales funcionalidades utilizadas han sido Sketch 2D, operaciones de extrusión y revolución, simetría y matriz de entidades, operaciones de vacío y control de cotas. Los parámetros clave del diseño son el diámetro del ojo superior, el diámetro del ojo inferior, la longitud total de la biela, el ancho medio del vástago y el espesor variable adaptado a zonas críticas. El modelo tridimensional de la biela se ha exportado en formato.STEP para su integración directa en ANSYS..

[Audio] "Aplicar cargas en el modelo 3D de la biela, introduciendo las cargas de trabajo y los estados de carga más desfavorables. Esto incluye las cargas de compresión intensas, fuerzas de tracción inerciales, flexiones secundarias y esfuerzos laterales. Estas solicitudes son alternantes y de alta frecuencia, lo que puede generar tensiones favorables a la fatiga de alto ciclo. Una vez definidas las condiciones de contorno, realizar el análisis de los campos de esfuerzo y deformación. Esto implica fijar el alojamento del cigüeñal, aplicar una carga axial distribuida sobre el ojo del pistón y utilizar una malla generada con refinamiento local en las zonas de transición y agujeros. El objetivo es evaluar el comportamiento mecánico de la biela bajo diferentes criterios de diseño y resistencia. El análisis estático lineal es el primer paso para determinar la distribución interna de tensiones en la biela durante el ciclo de combustión del motor. Esto permite evaluar la resistencia estructural del componente en condiciones de trabajo críticas..

[Audio] "El análisis de factores de seguridad nos permite determinar cuánto el componente está sobredimensionado o en riesgo de falla bajo cargas aplicadas. Esta relación se define como la relación entre el límite elástico del material y el estrés máximo inducido (según Von Mises). El ensayo lineal estático con acero representa una alternativa cuando no tenemos la curva S-N necesaria para realizar un análisis clásico de fatiga. Este tipo de prueba nos permite estudiar la distribución de los esfuerzos bajo carga longitudinal, simulando de manera simplificada el efecto de la combustión cíclica sobre el tubo. Aunque no predice la durabilidad en ciclos, nos permite identificar zonas críticas y validar el diseño contra las cargas alterna estimadas."..

[Audio] La biela del módulo Static Structural de ANSYS 2024 fue objeto de dos ensayos. El primer ensayo simuló la carga de trabajo real de la biela, aplicando una fuerza de compresión de 100 kN sobre el ojo superior (bulón). La segunda simulación correspondió a una carga axial alternante, con cargas de ±40 kN aplicadas en el ojo inferior (zona del cigüeñal) y el ojo superior fijo. Como se trata de una geometría simétrica sometida a carga axial pura, y el análisis se realizó en el dominio lineal estático, los resultados para la tracción y la compresión son prácticamente equivalentes. Por lo tanto, se representa solo una de las dos simulaciones para cada material en el ensayo 2, reduciendo la repetición de datos. Los resultados muestran un comportamiento claramente diferente según el tipo de carga aplicada. En el ensayo 1, los materiales alcanzan tensiones máximas cercanas a los 500 MPa, con factores de seguridad moderados, lo que indica que la geometría actual de la biela está altamente optimizada para esta carga real de trabajo. El aluminio presenta el FOS más ajustado (1,02), lo que refuerza la idea de que el diseño está llevado al límite bajo esta solicitud..

[Audio] "Los resultados del segundo test muestran valores de estrés más bajos y factores de seguridad más altos que se esperaban, lo que indica potencial para mejorar en términos de geometría. En este caso, las optimizaciones locales podrían hacerse para ligar ciertas áreas del pieza sin comprometer su integridad estructural bajo cargas axiales, mejorando así la eficiencia estructural general.".