80654008 Anteproyecto Io 390 Ab

7/23/2019 80654008 Anteproyecto Io 390 Ab

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Simbologa

a Aceleracin

A.E. Adelanto de encendido

a/c Relacin aire-combustible

AAVA Adelanto de la apertura de vlvula deadmisin

AAVE Adelanto de la apertura de vlvula de escape

AD rea de diagrama

am Aceleracin mima

! !arga mima pandeo

c/a Relacin combustible-aire

!a !arrera

!c !onsumo de combustible

!i Velocidad "rente de "lama

!t !ilindrada total

D Dimetro

De Dimetro del embolo

del Dimetro lumbrera de escape

dla Dimetro lumbrera de admisin

dp dimetro interno del perno

dpe Dimetro del perno eterior

Dva Dimetro de la vlvula de admisin

Dve Dimetro de la vlvula de escape

E Energa

E #odulo de elasticidad

EA# Energa de rbol motri$

E!R Energa ciclo real

E!% Energa ciclo t&rmico


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" 'actor de residuos de combustin

'c 'uer$a centri"uga

"'( 'actor "uer$a lateral

"'() 'actor "uer$a lateral en la biela

"'t 'actor "uer$a tangencial

'g 'uer$a de *ases

'i 'uer$a de inercia

'( 'uer$a lateral

'n 'uer$a neta

't 'uer$a tangencial

+ Entalpia

, Altura segmento de es"era

,ac Altura anillo compresor

,ar Altura anillo raspador

+c oder calor"ico

#omento polar de inercia 0umero de cilindro

1 !onstante de *ases

12 Radio de giro de seccin transversal

( (ongitud

(b (ongitud de biela

(e (ongitud del embolo

(p (ongitud del perno

(pb (ongitud del pie de biela

(% (ongitud del tirado

3


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(va (ongitud del vstago de vlvula de admisin

(ve (ongitud del vstago de vlvula de escape

m 0umero de moles

n Velocidad de giro

0a 0umero de aletas

0b otencia para accesorios

0c otencia indicada

0i otencia al "reno

0m otencia indicada total

0s/a otencia necesaria para mover elsobrealimentado

4.E. 4rden de encendido

resin

aso

atm resin atmos"&rica

g resin de gases

mi resin media indicada

# unto muerto in"erior

#S unto muerto superior

5 resin del anillo sobre el embolo

6 coe"iciente de "i7acin etremos

8m ar motor

8m ar motor medio8% Energa total

R Radio

R) Radio de la base del circulo

9


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Rc Relacin de compresin

R!VA Retraso del cierre de la vlvula de admisin

R!VE retraso del cierre de la vlvula de escape

R"l Radio "lama

Rv Radio biela

S Entropa

S Distancia del punto de ignicin de la cmarade combustin

s/a Sin aspirado

Sb limite de es"uer$o en material

% %emperatura

tab Espesor anillo de barrido

tac Espesor anillo compreso

tcb Espesor del cilindro

tcc Espesor de la cmara de combustin

tp Espesor del perno

tva Espesor de ,ongo de la vlvula de admisin

tve Espesor de ,ongo de la vlvula de escape

:c Energa interna del combustible

V Volumen

V Velocidad

Vcc Volumen de la cmara de combustinVmg Velocidad de "luido gaseoso

;g Despla$amiento de los gases de escape

;, Distancia entre centros


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= Relacin radio entre longitud

>c Rendimiento de combustible

>e Rendimiento econmico

>% Rendimiento t&rmico

>%i Rendimiento t&rmico ideal

ANTECEDENTES HISTORICOS 3INTRODUCCION 7REGLAMENTACION 8

DATOS Y CARACTERSTICAS DE DISEO 10

CONCEPTO DE POTENCIA 12

?


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CILCO IDEAL 14

Ciclo R!l 24Di!"#!$! % &i$'o( co##c&o( 2)

*!l!+c T,#$ico 2-

./#!( / !c&!+ + l i+io# %l cili+%#o 2

Co$'#o!ci5+ % l! 'o&+ci! 'o# $%io %l P!# $o&o# 43

ANTECEDENTES HISTORICOS

A lo largo de la historia el ser humano se ha visto en la necesidad de la creacinde motores, ya que debido a la duracin, intensidad, manejabilidad de ciertostrabajos no se poda recurrir a la fuerza de los animales, es por tal motivo que en1712 el inventor ingles homas !e"comen #1$$%&172'( construye una m)quinade vapor con *mbolos pistones y cilindros, cuyo principio de funcionamiento era el

@


7/83

de transformar la energa calorfica del vapor de agua en energa mec)nica,haciendo que el vapor se e+panda y se enfre en un cilindro equipado con unpistn mvil -ste motor marcara el principio de la era de los motores, pero no fuehasta que en 1./' se dej de utilizar los motores de vapor gracias al ingenierofranco&belga -tienne 0enoir#1.22&1'( quien construyo el primer motor decombustin interna de 2 tiempos que quemaba una mezcla de gas de carbn y elaire encendido por una chispa #patentado en 1.$(-ste motor se caracteriz porsu e+cesivo calentamiento debido a la falta de un sistema de enfriamiento ascomo de generar demasiado ruido

-n 1.77 el alem)n !iolaus 3tto construyo el motor de 4 tiempos el cualtendra un sinfn de aplicaciones, este motor se caracteriza por funcionar bajo elciclo termodin)mico del autor 3tto, el cual est) conformado por5

Admisin 6ompresin 6ombustin -+pansin -scape

Figura 1.1 Diagrama Ciclo OTTO Ideal

iendo este un motor de combustin interna ya que como la definicin dicta, esaquel que obtiene energa mec)nica directamente de la energa qumica deun combustible que arde dentro de una c)mara de combustin -l motor constade cuatro tiempos los cuales son Admisin, 6ompresin, -+pansin, -scape


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Figura 1.2 ciclos del motor de 4 tiempos

8 funciona por medio del mecanismo biela manivela que conectado alpistn por medio de los gases transmite la energa al cig9e:al, este mecanismoda un total de 1 revolucin por cada dos tiempos

Figura 1.3 Funcionamiento de los cilindros

-l motor tambi*n consta de v)lvulas de escape y admisin, que estas se abreny cierran para dejar entrar la mezcla y dejar salir los gases de escape As comotambi*n est) formado por5 ;rbol de levas esortes 0evas

B


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6ilindros efrigeracin 0ubricacin Arranque combustible ?gnicin Alimentacin y -scape ?nyeccin directa&indirecta

-l motor de 4 tiempos es utilizado en un sinfn de aplicaciones, en nuestrocaso el Aeron)utico es utilizado a finales del iglo @?@ n suceso importante quemarca los inicios de la aviacin, fue el primer vuelo de un aeronave con motorrealizado por los hermanos Brightel 17 de diciembre de 1'%, posteriormente elprimer motor con dise:o de uso especfico aeron)utico ocurre en 1.' por elrelojero e ingeniero neoyorquino, de origen rumano, tefhen C


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-l motor ?3&%'&A producido por 0ycoming, es un motor con cilindros en lineahorizontalmente opuesto de 4 cilindros, fue concebido originalmente en la d*cadade 1'7 como ?3&4&@ pero nunca se le dio seguimiento

-l motor ?3&%' fue desarrollado a partir de los similares ?3&%$, mediante eluso de cilindros de la serie del ?3&/., este cuenta con un sistema de inyeccinde combustible que proporciona una mezcla correcta motor

-l ?3&%' fue introducido al Air =enture en 22, este motor fue certificado el% de marzo del 2' bajo la JA>&%% con un certificado tipo !o-$!8

INTRODUCCION

-n este trabajo se desarrollara el dise:o de un motor ?3&%'&A present)ndose los

c)lculos realizados para su correcta operacin, as tambi*n como los pasosnecesarios para realizar la construccin del diagrama del ciclo #ideal&real( y losdise:os de dibujo a detalle de dicho motor, con el fin de implementar losconocimientos obtenidos a la largo del semestre en la materia de Gise:o de-lementos de Cotor alternativo, para cumplir esta tarea se pondr)n encontrarordenados los temas en forma secuencial de la siguiente manera5 >eglamentacin5 -n este apartado se podr)n encontrar las normas

requeridas para el dise:o de un motor aeron)utico, estas incluyen el Ane+o. de la 3A6?, JA> %%, JA> 4% y la !3C&14/K1

Gatos caractersticos del dise:o5 -n esta seccin se encontraran los datos

esenciales para realizar el dise:o del motor, as como su nomenclaturapara referencias posteriores

6oncepto de Fotencia5 e e+plicaran los tipos de potencias que e+istendentro del motor, as como sus c)lculos correspondientes

Cemoria de 6alculo5 -n este apartado se podr) encontrar todo lo referenteal dise:o del motor como lo es la determinacin de ciclo terico y real,adem)s de proporcionarse las fuerzas actuantes en el cilindro, eldimensionado de los elementos y del motor, as como el equilibrado de laflecha

Gibujos5 e observaran los dise:os a detalle del motor, como de cada una

de sus piezas por medio de herramientas 6AG istemas Au+iliares5 e dar)n a conocer los sistemas correspondientes y

cone+os al motor !omenclatura5 e dar)n a conocer los t*rminos requeridos a lo largo de

este trabajo, donde se proporciona una breve definicin de cada par)metro


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El motor se disear y construir de orma !ue uncionen en condiciones de

seguridad dentro de sus l"mites de utili#aci$n% de conormidad con las condiciones

de utili#aci$n pre&istas% cuando est' de(idamente instalado con arreglo a las

)artes III*2% I+*3o +4de este ,ne-o y% si corresponde% e!uipado con una 'lice

apro(ada para la instalaci$n.

-l organismo encargado de brindar certificados en -A es la Jederal AviationAdministration #JAA(que utiliza normas denominadas JA> #Jederal Aviation>egulation(,de las cuales e+isten dos de inter*s para este trabajo, que se indicana continuacin5

JA>%%4donde se habla acerca de los motores de aviacin y se concentracomo directivas de aeronavegabilidad #air"orthiness directives(, dividido en$ sub&partes y 2 ap*ndices, -l de nuestro inter*s se encuentra en la subparte 6 que trata sobre DGesign and 6onstructionL >eciprocating Aircraft-nginesE

JA>4%/el cual trata acerca del mantenimiento, mantenimiento preventivo,reconstruccin y alteraciones al motor

-n C*+ico el organismo encargado de la legislacin aeron)utica es la GMA6Gireccin Meneral de Aeron)utica 6ivil quien e+pide normas !3C necesarias

para la operacin de aeronaves, en este caso la !3C&14/K1 que se encarga denormar la instalacin y la operacin del taller aeron)utico, ya sea para brindarservicios a las aeronaves o su ensamblaje segHn las clasificaciones de talleresaeron)uticos Gentro de estos se encuentra la seccin de motores, que losclasifica de la siguiente forma56lase 15 Cotores alternativos con una potencia de hasta 4/ IF #e+cepto motoresradiales(6lase 25 Cotores alternativos con una potencia superior a 4/ IF #incluyemotores radiales con cualquier potencia(6lase %5 Cotores de urbina

3


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DATOS Y CARACTERSTICAS DE DISEOA continuacin se muestran los par)metros que rigen al motor para efectuar losc)lculos de dise:o5

9


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0a aeronave que utiliza el motor ?3&%'&A es el /lastar 0portsman 22

?3&%'&A

?-C G-6>?F6?3! ?C1 Fotencia al freno !f 21IF2 =elocidad de giro n 27rpm% >elacin 6ompresin >c .'514 ipo Aspirado sKa normal 14%// 6ilindrada otal 6t %' in%

$ !o 6ilindros !o 47 6ilindrada unitaria 6u '7/

. Cezcla normal, rica, pobre aKc 1/51' >elacin 63C


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Frecio O/,/2

Cotor

?3&%', 21 hp P 27

rpmI*lice Iartzell, 2 palas

-nvergadura %/ ftJuselaje 2% ft

6arga alar 17'4 lbKft2

6apacidad de combustible / galFeso m)+imo 2%/ lbuperficie alar 1%1 f t2

Feso 14/ lb

carga de combustible $. lbAsientos 4

=el crucero 1$7 mph, .ftdistancia de despegue 4 ftdistancia de aterrizaje $/ ft

vel m)+ima de ascenso 1./fpm>ango .2' mi

echo de servicio 2 ft

?


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CONCEPTO DE POTENCIA

-ste apartado contendr) el concepto inicial de potencia, el cual es el trabajoefectuado por unidad de tiempo

Fara nuestro dise:o de un motor de combustin interna alternativo y quepor definicin transforma la energa calorfica de un combustible a un trabajomec)nico, este brinda una potencia dada, es por lo cual tom)remos una potenciatotal que es al equivalente a la proporcionada por el combustible mediante elempleo de un ciclo termodin)mico, para nuestro caso es el que corresponde al

motor de combustin interna encendido chispa, por lo que nuestro concepto depotencia es la energa suministrada por el combustible para mover una flecha ylos accesorios de sistemas au+iliares o cone+os, quedado e+presado el dato depotencia total como50%F0bG0aG0saGnde5!fQFotencia al freno o energa Htil!aQFotencia o energa necesaria para accesorios!sKaQFotencia o energa necesaria para mover el sobre alimentadorGurante la operacin del motor se observan otros conceptos de potencia los

cuales son de nuestra conveniencia conocer los conceptos de5

Fotencia total5 ambi*n potencia de dise:o, es la referida a la potenciaindicada que es aquella obtenida del diagrama de trabajo o de coordenadaspresin&volumen del ciclo t*rmico

Fotencia al freno5 -s la potencia disponible que se encuentra en el eje oflecha motriz para impulsar una h*lice o caja de mando de la misma0a potencia absorbida por causa de los accesorios es obtenida conociendo lacantidad de los accesorios que tendr) el motor para su operacin, pero para el

dise:o de la potencia total y considerando que e+isten nHmeros de accesorios yde proveedores de los mismos e toma un porcentaje de la potencia el frenosiendo un rango entre el .R y %.R o haciendo la sumatoria de todas las posiblesp*rdidas de energa quedando de la siguiente manera5

@


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Ferdidas por friccin debido a engranes, *mbolos, rodamientos,mecanismos de v)lvulas etc esta se toma de un rango de 7R al1R de la potencia indicada

rabajo de carga, el cual es el absorbida durante las carreras deadmisin y las de escape y su rango est) entre el 2R&$S de lapotencia indicada

Accin del volante o generador de inercia, el trabajo que absorbeoscila entre el 1R al %R de la potencia indicada

0a potencia o energa requerida por los accesorios de los sistemasasociados como son bomba de lubricacin, gasolina, magnetos,tacmetro entre otros y el valor que se toma es del 1R al 'R de lapotencia indicada


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CILCO IDEAL

Fara el c)lculo inicial del ciclo se debe de proponer el valor de la emperatura $,

que m)s adelante determinaremos si el valor propuesto fue el indicado de locontrario se realizar)n n iteraciones hasta que el porcentaje de error es del 2R?niciaremos primero desarrollando el diagrama del ciclo 33&erico el cual,para elaborar este diagrama se hace uso de frmulas y de tabla de gasesquemados y mezclas correctas

Fara iniciar el dise:o del ciclo lo primero que se debe de hacerse escalcular el factor de residuos de la combustin, conociendo la relacin en peso delos residuos con respecto a la mezcla total en el cilindro, su frmula est) dada por5"F%%G%@@[email protected] y teniendo en cuenta

condiciones de nivel medio de mar Q/1' >, F$Q147 F?, la presin de aspiradola tomaremos de F1Q14%/F? y una >6Q.'"F?C R?CRG39? RE en funcin de la escala del Giagrama de 6ombustintenemos5mF.9?9G.3"me$clanormal

B


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mF.9?3G.3"me$clapobramF.9?9G.9"me$clarica

Fara nuestro uso tenemos que es un motor de relacin aire&combustiblenormalmF.9?9G.3I.9JF.9@

-ntonces sustituyendo la escala del diagrama en la ecuacin general de losgases observamos5VF.3ImJ%[email protected]


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:9F93.@[email protected]


21/83

FuntoT$ tilizando el mismo criterio que el punto anterior, consultando eldiagrama F&= representativo tenemos que5@F?Fatmos"ericaV@FV3 N %@F%?:@F:


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Gise:o curva de e+pansinFor cada uno de los valores de volumenpropuestos en el dise:o de la curva decompresin, se lee del grafico de gasesquemados a partir de la lnea de entropa,obteniendo se de manera gr)fica losvalores de presin reales

Gise:o curva de Admisin

33

Funto volumentemperatur

a Fresin

1

172.%1$

% 11$

2/'.71%1

%

2 2 112'.141%

.

% % './12/2/2$.

2

4 4 .'.4.7'%//

'

/ / .%$%%2/721

7

$ $ 7./4''1%%2

'

7 7 7/ 4.72..41

. . 72%4%%%222

$

' ' $'2'24$.1'

%

1 1 $.2/'4$/7

1

11 11 $/22/4214

.

12 12 $%22771%

2

1% 1% $17$$7.

.

14 14 /./1/'4424

.

1/ 1/1/ /7..14%/4'2$

.

Funto =olumen Fresin1 17 1%%%%%2 2 1$% % $/4 4 4$%$%/ / %/714$ $ 2'1$$7 7 24'

. . 21' ' 1.1 1 1$11 11 14%%%12 12 12.%%1% 1% 12

14 14 1./71/ 1/1/ 1


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-l motor estrangulado o de aspirado normal, durante la carrera de admisinutiliza una presin menor a la atmosf*rica por lo cual al llegar al punto muertoinferior es necesario que se alcance la presin adecuada para el funcionamiento,es por esto que se debe de dise:ar la curva considerando un comportamientopolitrpico por lo que5VFV

6onsiderando al e+ponente adiab)tico de 1%% obtenemosVFVF.9VFVF6Q >azn e compresin

eniendo como dato el =olumen unitario del motor ?3&%'&A con un valor de '7/in%tenemos que nuestro volumen real de la c)mara de combustin es de5

V!!FC.?in9B.C-F3.9endimiento t*rmico ideal

-ste rendimiento t*rmico es el coeficiente adimensional calculado como elcociente de la energa producida en un ciclo de funcionamiento y la energasuministrada a la m)quina para que logre completar el ciclo por lo que tenemos5

39


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>%iF:9-:%iFVF-"mtmtFIV-V3JR%

Gnde5FQFresin atmosf*rica>Q6onstante de los gasesQemperatura absoluta a condiciones est)ndar

Fresin Cedia ?ndicada-l c)lculo de la presin media indicada facilita la comprobacin de potencia delmotor -ste es el valor de la suma de presin en el interior del cilindro, dividida porel nHmero de eventos que forman el ciclo t*rmico8 se relaciona con los valores de la energa interna de los procesos y serepresenta con la siguiente formulamiF:9-:


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na vez determinados todos los puntos procedemos a dibujar el diagrama delciclo 33 terico ideal

DI/,, CICO OTTO E, DE 4 TIE)O0

!ota5 este lo tendremos que trazar a escala en papel milim*trico con el fin depoder realizar el c)lculo verdadero de la a*rea de diagrama del ciclo

6alculo ;rea del gr)fico

Fara el c)lculo del )rea del grafico utilizamos la proporcin del marco dereferencia del papel milim*trico, para esto dividiremos el figuras simples, como loson el cuadrado, rect)ngulo triangulo, etc para determinar sus )reascorrespondientes, para sumarlas y determinar el )rea del grafico a escalaWuedando el )rea real del diagrama5 2144/ lb ftFara el c)lculo de la potencia del diagrama tenemos la siguiente formulaFADn3??+0iFC


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Gonde el valor e rendimiento mec)nico causado por p*rdidas de friccin,rozamiento y carga se encuentra en un rango del 72R&.'R dependiendo de lacalidad de fabricacin de los componentes del motor

0"F9B.99.BF3?


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-l ciclo real se encuentra se encuentra dado a una presin m)+ima del 7/R de F%y se encuentra limitado por las p*rdidas de potencia debidas a la friccin,calentamiento etc For lo cual es necesario utilizar los adelantos y retrasos decierre y apertura de v)lvulas tanto de admisin como de escape, para poder hacerfuncionar el motor

3


28/83

-n el caso de nuestro motor se lleg a la conclusin que se encontraba sobradode potencia, por lo cual para llegar a la potencia necesaria se traz una paralela al1R de la curva de e+pansin

Di!"#!$! % &i$'o( co##c&o(

-l ciclo real se encuentra balanceado por medio de los adelantos y retrasos delcierre de v)lvulas de admisin y escape as como el adelanto al encendido paraque pueda ser Htil el motor, estos )ngulos se encuentran dados de la siguienteforma #tomados de ensayos y pr)cticas a motores alternativos encendidos porchispa(5

Admisin5 -l )ngulo de la apertura de las v)lvulas de admisin, lleva unrango de los 1/N&2/N antes del FC -l )ngulo de retraso al cierre de lav)lvula de admisin se encuentra en el rango de los %N&/N despu*s delFC?

-scape5 -l )ngulo de apertura de la v)lvula de escape se encuentra en elrango de los 4N&7N antes del FC? -l )ngulo de retraso al cierre de lav)lvula de escape cubre un m)+imo de 1N Gespu*s del FC

-l adelanto al encendido de la mezcla aKc se aprecia que ocurre al 7/R deltiempo total en el cual la mezcla se enciende completamente, por ello se hadesarrollado la e+presin siguiente la cual permite #cuando no hay otro datodisponible( determinar el )ngulo de adelanto al encendido -n nuestro casoencontramos como dato del motor ?3&%'&A que el )ngulo al adelanto alencendido es de 2N

QAEF.?9@nS!i

Gnde5!Q nHmero de revoluciones

3B


29/83

Q Gistancia del punto de ignicin en la c)mara de combustin, hasta el puntom)s lejano donde s e localiza la mezcla dentro de la c)mara en la condicin m)sdesfavorable6iQ=elocidad del frente de flama

Diagrama De Tiempos Correctos

3C


30/83

*!l!+c T,#$ico-l c)lculo del balance t*rmico no indica la energa que se est) utilizando y laenerga perdida que se ve transformada en calor, el c)lculo del balance t*rmico seencuentra dado porEF!!+!

EF3)%:lb3@.!Gonde >!F?E!F3@?@3@)%:,r.?FCC3?%Gonde>%F-IRc.%F-C.B.DF>%ideal>%F.?CF?.CE!RF@3C.?)%:,r.?CFB?3mGonde >mFB

EA#FB?3


31/83

erdidaAF3@?@3@)%:,r-CC3?


32/83

152 de la vista lateral del cilindro del motor para poder proporcional un valor delongitud ala biela

Fara la determinacin de la longitud de la biela se debe de tomar en cuenta larelacin trigonom*trica del cateto opuesto y el cateto adyacente y la hipotenusa,as la relacin entre el radio y la longitud de la biela est) representada por$FR(omando el valor de z a la inversa, para efectos de dise:o de % tenemos que elvalor de la longitud dela biela es de(FR$F3.B? in.99F@.?@ in

0a cinem)tica aplicada al sistema


33/83

Gurante el proceso del c)lculo cinem)tico se determinan en un principio, el

desplazamiento, velocidad y aceleracin del embolo en su movimiento detraslacin sobre el eje motriz

Fara poder realizar acabo el c)lculo de las fuerzas en el interior del cilindro seconstruir) una tabla que comprende 1$ columnas5

6olumna 1-sta columna llevara el desplazamiento angular en grados de la manivela, setomara un )ngulo de desplazamiento cada 1N,/N,1N o hasta 2N, cubriendo los

72N referentes a los 4 tiempos de trabajo efectuado por ciclo

6olumna 2-sta columna incluye los valores de la presin relativa de los gasesgFgd-atm

99


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6olumna %-n esta columna se encontrara la fuerza de los gases que se encuentra dada porla frmula5'gFgAe AeFrea del &mbolo

6olumna 4-sta columna tendr) el desplazamiento de los gases, la variacin de esta columnase manejara en desplazamiento lineal para no hacer uso de radianesgFrI-cos G 3sin J

6olumna /-sta columna llevara el desplazamiento por pulgada realizada por el embolo porcada movimiento angular o posicin de la manivela y est) dada por la frmula5FrI-cos JG(I-- 3sin3Gonde

Fr(

6olumna $Gerivando la ecuacin de desplazamiento con respecto al tiempo tenemos lavelocidad de giro del motor, por lo que esta columna tendr) la velocidad en pie porsegundo y est) dada por la frmula5vF Pn9rsin G 3sin3

6olumna 7-sta columna tendr) la aceleracin del giro del motor utilizando el mismo criteriode derivada que en la columna anterior tenemos que est) dada por5aF Pn93rcos G cos3

6olumna .-sta columna se ubicaran los valores de la fuerza de inercia que corresponde alas masas alternativas y est) dada por la formula'iFaImalternativasJ

9


35/83

6olumna '-n esta columna se ubicaran los valores de la fuerza neta'nF'iG'g

6olumna 1-sta columna tendr) los valores del factor de la fuerza lateral

"'(Fsin 3-sin 36olumna 11-n esta columna tendr) el c)lculo de la fuerza lateral para cada posicin de lamanivela hasta cubrir los 72N de giro

'(F'0"'(

6olumna 12

-n esta columna tendremos que por media de la fuerza lateral calculada pasamosa definir los valores de factor de fuerza a lo largo del eje de la biela, en funcin del)ngulo de giro y la relacin longitud de biela y magnitud de manivela

"'()F(r(r3-sin3Q

6olumna 1%

-sta columna comprende los valores de la Juerza aplicada a lo largo del eje de abiela, requerida para el dise:o de este componente, empleando la ecuacin

'lbF'n"'()

6olumna 14

9?


36/83

Far definir esta columna se tiene que el trabajo mec)nico como transformacinde la energa calorfica, mediante el uso del sistema biela&manivela, se requierede conocer el dato de la fuerza tangencial, la cual se obtiene del sistemaempleando los mismos criterios y empleo de la trigonometra definido al factor defuerza tangencial, en funcin del )ngulo de giro

"'%FsinQGr3(sin3Q

6olumna 1/-sta columna definir) para el c)lculo de la fuerza tangencial, con la ayuda delfactor de fuerza tangencial ya calculado para cada posicin de la manivela y los72Y del ciclo t*rmico de 4 tiempos, por lo que la frmula es5

'%F'0"'%

6olumna 1$

-sta Hltima columna sirve para definir, calcular determina el trabajo realizado porel motor, como manifestacin de la energa calorfica transformada en trabajomec)nico, denominada par motor y est) dada por la formula

8mF'%rbiela

Ge las columnas anteriores #abla de valores se encuentra en Ane+o( tendremoslos gr)ficos de5

1 Gesplazamiento, =elocidad vs Gesplazamiento angular2 Juerza de los gases vs Gesplazamiento angular% Aceleracin, Juerzas alternativas vs desplazamiento angular

9@


37/83

4 Juerza de la biela vs desplazamiento angular/ Juerza neta vs desplazamiento angular$ Far motor vs desplazamiento angular7 Gesfase del par motor vs desplazamiento angular

9


38/83

9B


39/83

Co$'#o!ci5+ % l! 'o&+ci! 'o# $%io %l P!# $o&o#

eniendo el dato del par motor medio obtenido de las fuerzas que actHan en elcilindro del motor de combustin interna encendida por chispa se pude calcular lapotencia del motor utilizando la siguiente formula50mF8mP3TPnP@P??Gonde!Q nHmero de revoluciones8mQ Far motor medioXQ!umero de cilindros0mFI


40/83

-n las siguientes p)ginas se desarrollara el c)lculo correspondiente aldimensionado a cada una de las partes del motor, presentando un dibujo a escalacon las dimensiones calculadas

E$olo-l dise:o del embolo de uso aeron)utico deben de cumplir con una serie derequerimientos como5

oportal la fuerza de los gases sin deformacin apreciable Ajustarse lo suficientemente cerca del cilindro para prevenir el golpeteo del

embolo er capaz de rechazar una gran porcin del calor generado en la c)mara

de combustin ener un coeficiente de e+pansin tal que el embolo no este holgado en el

cilindro cunando este frio as como no muy apretado cuando este caliente Gebe permitir el alojamiento de % anillos #2 de compresin y 1 de aceite o

barrido( ener seccin transversal y un coeficiente de flujo de calor suficiente para

conducirlo fuera el calor absorbido ener la suficiente dimensin de faldas para conducir considerablemente la

porcin de calor absorbido por la cabeza hacia las paredes del cilindro yproveer una adecuada superficie de apoyo para tomar la fuerza lateral

0as dimensiones del faldn debe de ser capaz de transmitir el suficientecalor absorbido a las paredes del cilindro as como al aceite lubricante sinque el aumento de la temperatura del aceite llegue a mitigar las cualidadesde este

Froveer un adecuado soporte para los anillos del embolo er lo m)s ligero posible ener una adecuada resistencia al desgaste

CA->?A0- F>3F?3 FA>A -Cesistencia adecuada para trabajar a temperatura altab( ener bajo coeficiente de e+pansin lineal


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c( Foseer un coeficiente elevado de conductividad t*rmicad( Caterial de baja densidade( Alta resistencia a la abrasin

6on base a tales requisitos, los elementos met)licos a considerar para seraleados son los que se muestran en la siguiente tabla

Cetal Feso-specific

o

-sfuerzo a

tensin#lbKin2(

6oeficientee+pansin

0ineal#1KdegNJ

6onductividad decalor


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-sta dimensin es funcin directa de la fuerza 0ateral m)+ima considerando queanulara la longitud al momento provocado por dicha fuerza con respecto al eje degiro de la manivela #cig9e:al(, facilitando a la vez su movimiento dentro delcilindro, As la presin medida en un embolo de prueba por la fuerza lateral

m)+ima origine la e+pulsin del aceite e+istente en la luz o tolerancia entre la predde cilindro y la del embolo, ajustado sin anillos tiene un rango de 11 a 17 psipor lo que'(maFeDe(eGnde5J0ma+Q Juerza lateral m)+imaFeQ Fresin de e+pulsin del aceite0eQ0ongitud emboloGeQGi)metro embolo

Gespejando para obtener la 0ongitud del embolo5(eF'(maeDe([email protected]@ lbI?.9CinJI3?psiJF9.B


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Fara definir el ancho de la tapa del embolo se tiene como material e construccinuna aleacin de aluminio A0&1%2&//1 -ste se encuentra trabajando con lapresin que es ejercida por los gases quemados es por lo cual se rigue por lasiguiente formula5tcF.


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Fara definir la dimensin que tendr) el espesor de la pared del *mbolo tenemos lasiguiente ecuacin

t)F.BG.9DeGbrGnde5GeQGi)metro embolobrQFrofundidad de la caja del anillo

Fara el c)lculo de t


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0as caractersticas de los anillos son determinadas en base al trabajo en conjuntocon el *mbolo, entonces los anillos deben ser suficientemente el)sticos parapoder ejercer la presin lateral necesaria entre la pared del cilindro, a la vez quepermitan colocarse dentro de sus ranuras sin riesgo a la ruptura

-stos anillos est)n fabricados de acero gris o dulce de grano fino

0a ranura entre puntas debe ser de % mil*simas de pulgada por pulgada dedi)metro del embolo dependiendo de su factor de e+pansin t*rmica, evitando elcontacto del anillo por efecto t*rmico 0os anillos de compresin de estructuraslida y pueden tener en su punta las siguientes formas5

i son sobrepuestos benefician, sin embargo no son las m)s comunes por locomplicado de su construccin y mantenimiento

0as primeras dimensiones del anillo ya fueron definidas en base a ello seproponen tolerancias dadas al grueso y ancho del anillo, obteniendo as lasdimensiones de las cajas

0a profundidad de la 6aja es el valor del ancho m)s una tolerancia dada enmil*simas de pulgada, normalmente se apro+ima a 1K$4UbrFbaGtoleranciabrF.


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,acF.3BC@G@


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Gi)metro del Ferno

0a longitud del perno debe de ser proporcional al di)metro del embolo, por lo quede acuerdo al libro de dise:o de motores de aviacin #Voshep 0inston( la longitudse encuentra dada por5(pF.?De

(pF.??.9CF9.CBC in

na vez determinada la longitud del perno, el siguiente paso es encontrar eldi)metro e+terior de este, cuyos par)metros son la resistencia del material, elmomento flector m)+imo resistente y ocasionado debido a la fuerza de los gases yla lubricacin con base a la presin m)+ima e+istente en el )rea proyectada de las


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superficies de contacto entre el perno y buje o rodamiento del pie de biela por lotanto comenzamos con la ecuacin de la fuerza de los gases'gmaFmaAabiendo que el )rea es

AFTDe3 ?CAM-! 6?0?G>3

0as dimensiones b)sicas del cuerpo del cilindro #adio interior del cilindroQ -sfuerzo de trabajo

?9


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-l esfuerzo de trabajo estar) en funcin de factor de seguridad #J( as como elesfuerzo permisible #UJdado por el material

SFU'Stilizando un Jactor de seguridad de %

SF


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otras partes, etc -s necesario proveer al cilindro de un buen difusor del flujo decalor desde la c)mara de combustin hasta el medio ambiente

Fara las necesidad de motores aeron)uticos el sistema que cumple la necesidad

de transmitir el calor son las aletas de enfriamiento se encuentran dadas por lasiguiente nomenclatura

Gnde5F1QFaso1Q-spacio 0ibre1Q-spesor>bQ>adio a la raz de la aletaB1QAncho

na vez esclarecida la nomenclatura empleada, el nHmero de aletas depender)del )rea disponible en la cabeza y en el barril, ser) el dise:ador quien propongadicho valor, as como las dimensiones de las aletas

0a transferencia de calor del cilindro al aire del medio ambiente consiste en laconduccin del calor a trav*s de las aletas hacia la superficie de las aletas y laconveccin del calor desde la superficie de las aletas hacia el aire del medioambiente Fara condiciones constantes de temperatura, el calor removido de lacabeza y el barril debe de ser igual al calor absorbido

??


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0a velocidad a la cual el calor es entregado al aire pude ser e+presada para lacabeza del cilindro como+ccFAc:cI%c-%aJ

8 para el barril del cilindro como

+cbFAb:b%b-%a

Gnde5Ac, AbQ >espectivamente el )rea de la cabeza y del barril cubiertas por las aletasde enfriamientoc,bQ 6oeficientes de transferencia de calor respectivamente del barril y cabezadel cilindro

c,bQ emperatura alcanzada en la cabeza y el barril #/2&/7 NJ(aQ emperatura ambiente

Fara la determinacin del coeficiente de transferencia del calor es e+presado por5:F6SG%3"G3Rbtan,I"5G%3JGSbGnde5qQ 6oeficiente de refrigeracin1Q-spacio 0ibre de la aleta de refrigeracin1Q-spesor de la aleta de refrigeracin>bQ>adio a la raz de la aleta de refrigeracin

B1QAncho de la aleta de refrigeracinbQGistancia entre las superficies adyacentes de aletas en la base de la aletafQ 361%Q 6onductividad t*rmica del metal aceroQ%1


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Q-spesor de la aleta de refrigeracin

na vez calculada la cantidad de calor transmitido se porcede a comprobar dichoresultado esto se hace mediante una relacin entre calor cedido total y energa

total58%F+cbG+cc

8%EF+cbG+cc+c!c

-sta relacin se debe encontrar en un rango del 2R al %R

A continuacin se presentar el c)lculo pertinente al dise:o de aletas deenfriamiento5

Froponiendo las dimensiones de las aletas para el ealizando la correccin de velocidad

Vel corregidaFvelPW.9


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Ahora calculamos el )rea que cubrir) de aletas al barril, con los valorespropuestos al inicio del c)lculoAFnaTDeSG%AFBT?.9C.9?

[email protected] in3 6alor transferido del barril

Aplicando la ecuacin de calor transferido+cbFAb:b%b-%[email protected] in3 .B


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Ahora calculamos el )rea que cubrir) de aletas al barril, con los valorespropuestos al inicio del c)lculoAFnaTDeSG%AF9T?.9C.


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Fara conocer el volumen que ocupara la c)mara de combustin contamos con lasiguiente e+presin5VccFTd3Selacion de compresinVccFT?.9C3I


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Gejamos todo en funcin a la altura #h( quedando un binomio de la siguienteforma

,F9b3Gb3


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especial las de escape, tienen una gran consideracin como limitadores de futurosincrementos en el desempe:oin embargo el progreso en el dise:o de detalle no ha proporcionado materialescapaces de cumplir con lo requerido como lo es el A- %14, cromo nquel

acero, acero silicio&cromo y acero cobalto&cromo

-l tipo de v)lvulas usadas en motores aeron)uticos son las de tipo tapn o dehongo invertido

iendo el v)stago de la v)lvula de admisinde cuerpo slido, al contrario de v)stago de lav)lvula de escape que se encuentra huecopara su llenado parcial con refrigerante, en particular de sales de sodio, y sudimensin es establecida con base a las caractersticas del material, el )readisponible en la cabeza del cilindro y c)mara de combustin, y el tama:o de laslumbrerasL as como la velocidad media del fluido gaseoso como funcin de la

velocidad de desplazamiento en el interior del cilindro, por lo que usamos lasiguiente e+presin5

VmgFcIDedvaJ3

Gnde5=mgQ velocidad del fluido gaseoso 1&1/ ftKmcQvelocidad m)+ima del embolodvaQdi)metro v)lvula de admisinGeQ di)metro del embolo

Fara la determinacin de la velocidad m)+ima del embolo, tomaremos los valoresde la tabla de velocidad del an)lisis de fuerzas tabulando cada 1N a partir de $Nhasta 1N

@3


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Ge la tabla observamos que el valor m)+imo de la velocidad se encuentra a 7N yes de /%'. ftKs

Gespejando de la ecuacin el di)metro de la v)lvula de admisin de la ecuacinanterior tenemos que5

DvaFDeVmgcDvaF?.9C3??9.CB/.?DvaF.C3in

i el di)metro de la cabeza para la v)lvula de admisin s mayor que el di)metrode la cabeza para la v)lvula de escape, tomamos la relacin e+istente dedi)metros, para definir el hongo de la v)lvula de escape, o sea5

DvaDveF.9 L DveFDva.9DveF.C3 in.9 F.?9 in

6ontinuando con elc)lculo de los espesoresdel hongo utilizando lassiguientes e+presionespara v)lvula de admisiny v)lvula de escaperespectivamente5tvaF.


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-l valor del di)metro de lumbrera tanto para la v)lvula de admisin y escape es eltomado del porcentaje del 'R del di)metro de la cabezadlaF.CdvadleF.Cdve

dlaF.C.C3F.< indleF.C.?9F.9@? in-l valor del espesor disminuye un $/R de tr un valor para admisin y un valorpara escape-l c)lculo del di)metro del v)stago est) dado por5

dVvaFdlaBG9@dVveFdleBG?@dVvaF.< inBG9@F.


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>esorte

-l mecanismo de operacin para que la v)lvula permanezca cerrada o impedirque la apertura de la v)lvula no sea herm*tica y presente el fenmeno detrepidacin ocasionando por la depresin ocurrida en el interior del cilindro o quederivado de la fuerza de inercia el hongo se desprenda de su asiento, se usa unconjunto de resortes en el caso del motor de aviacin y se presenta el fenmenode hist*resis porque su ciclo de actuacin es r)pido y ello origina a su vez altasvibraciones que son propias de un muelle o resorte que propicia la resonancia queno es otra cosa que igualar la frecuencia natural del material con la de trabajo yaunado a ello en la fijacin del resorte e+iste mayor esfuerzo en sus asientosquedando pr)cticamente estacionados, ocasionando ruptura en las espiras de los

e+tremos y es de all, donde interesa el nHmero de espiras sea grande o en sucaso utilizar 2 resortes conc*ntricos con diferente frecuencia para dar fle+ibilidadal trabajo y as el desplazamiento por unidad de carga ser) peque:o

Cediante este conocimiento el dise:o de los resortes para v)lvulas de motor deaviacin es con base a los aceros especiales que van desde los aceros suecos,los aceros de alto carbn al silicio, magnesio y cromo&baladio, emple)ndose enforma de alambre o seccin circular para fabricarlos de tipo helicoidal sujetos acompresin

-l esfuerzo permisible de trabajo deber) ser el correspondiente al lmite de fatiga

torsional en lugar del esfuerzo o limite el)stico que sera de compresin -steesfuerzo del material para fatiga toma en cuenta el di)metro del espiral el tipo ytama:o de la seccin del alambre como la aleacin del acero As el dise:o estar)basado en los criterios y tablas de esfuerzo dadas por grifith que nos indican que

@?


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los valores aumentan r)pidamente con los valores bajos de los ndices del resorteque se determinan con la relacin entre di)metros e+istentes en el resorte

A continuacin se presenta una tabla que corresponde a los diferentes tipos dealambres o calibres utilizados en la fabricacin de muelles o resortes propios paramotores de aviacin

6alibre Gi)metro#in( 6alibre Gi)metro#in( 6alibre Gi)metro#in( 6alibre Gi)metro#in(

%$2/ 2 2$2/ $ 1'2 1 1%/

%%1 % 24%7 7 177 11 12/

%$/ 4 22/% . 1$2 12 1//

1 2.% / 27 ' 14.% 1% '1/

Fara resortes de compresin helicoidal tenemos la siguiente nomenclatura

MQ Codulo de elasticidad en torsin Qesfuerzo de trabajo CQ-sfuerzo m)+imo permisible JQdefle+in por espira !eQ!Hmero efectivo d espira 0C!Q0ongitud m)+ima de trabajo 0Q 0ongitud solida del resorte GeQGi)metro del alambre Q6alibreY GoQGi)metro e+terior del resorte

@@


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GiQdi)metro interior del resorte JvQ carga a lo largo del v)stago cuando la v)lvula abre JvcQ6arga a lo largo del v)stago cuando la v)lvula abre FsQ Faso del resorte

JvaQJuerza #carga( m)+ima admisible sobre el resorte

-l dimensionado y c)lculo del resorte de los valores de desplazamiento deapertura de v)lvula en pulgadas #0=o( 1R

Fara el dimensionado de ambos resortes en la v)lvula, se inicia con el resorteinterior, proponiendo un di)metro de G? 1% in entonces tenemos que5

D4FDG3d

Cultiplicando todo por 1Kd

D4dFDdG3dd

D4dFDG3

abiendo que D4dQ' despejamos d de la ecuacin anterior

dFDC-3

ustituyendo el valor propuesto tenemos

dF.9F.B?

Ge la tabla de calibres seleccionamos el calibre T7 dQ177

Fara determinar el di)metro real del resorte

D4FDG3d

D4F.9G3.B?F.@?< in

For lo tanto

D4dF.@?


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i la combinacin n de las fuerzas de los resortes, cuando est) abierta la v)lvulano debe ser mayor de 17/ lb, ni menor de 1 lb cuando est) cerrada, se indica elesfuerzo del material del acero seleccionado, el cual es de . psi,procedi*ndose a calcular la fuerza a lo largo del eje de la v)lvula que la mantiene

abierta, quedando

'voF.9C3d9*ID-dJ3=

'voF.9C3.9BI.@?


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Ahora calcularemos el di)metro del alambre que requiere el resorte e+terno o defuera, este debe de ser mayor al di)metro e+terior del resorte inferior, por lo queproponemos que la diferencia sea de 2/ in

De-DiF.3? inDeF.3? inGDi

DeF.3? inG.@?< in

DeF.C< in

Aplicando el mismo criterio para calcular el di)metro del alambre, tenemos quesiendo D4dFC

cG3

dF.C


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(m5FI.dJInJ

(m5F..F3.9


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sFc-I3.3?dJn

sFesumiendo el an)lisis los datos por resorte se presentan en la siguiente tabla

>esorte e+terior >esorte interior

(" 4' in 4$%7 in

(m5 2' 2%4/

(s 2$'in 21$. in

s /%. in 42%.in

"v '.77 vibKs 114$4 vibKs

Z 177 in 2$2/ in

6alibre T 7 T 2

3bservar el valor de la frecuencia natural el cual debe ser menor la del resortee+terior, as las vibraciones del conjunto tiende a neutralizarse


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For tratarse de un elemento de uso aeron)utico cuyo requisito es ser el m)s ligerose construye de seccin tubular por lo que el valor del momento de inercia noslos da la siguiente e+presin5

FT@


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punteras, mientras que el uso de un buso de tipo hidr)ulico el ajuste esautom)tico por trabajar mediante un resorte en presin del propio aceite lubricante

(%FT3E!

(%FT3I@lbin3JI. in


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Fara el c)lculo de la geometra de la leva a tendremos de acuerdo al valor deh=aQ% in y proponiendo un valor del di)metro del )rbol de levas GbQ17,calculamos el radio de la base del crculo que compone a la leva con la siguienteformula5

R)FDb3G.3?3

R)F.B3? in

For medio del m)+imo desplazamiento de la v)lvula obtendremos el radio delcrculo de la biela

R0F,va3F.93F.? in

Fara determinar la distancia entre centros de los radios de base y el arco superiortenemos5

;,F R)-R0G,va

;,F.B3?-.?G.9F.C@3? in

na vez dada la geometra calcularemos el )ngulo de ascenso de la leva5

[FAAVAGBXGR!VA

80654008 Anteproyecto Io 390 Ab

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