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Authors
Advisor(s)
Abstract(s)
This dissertation had the objective of developing a preliminary design of a fourstroke axial opposed-piston engine. The design was mainly focused in the type of
movement of the crankshaft/wobble plate/connecting rod/piston selected and the new
mechanism for a four-stroke distribution system.
To begin, the initial parameters of the engine were selected including a prefabricated piston following the estimative of the maximum force acting on the piston
resultant of the pressure inside the combustion chamber as it is with this force that the
whole engine is dimensioned. The kinematic analysis and the movement equations of
the crankshaft/wobble plate/connecting rod/piston were implemented using Excel
sheets being posteriorly also calculated the reactions acting on the bearings that
connect the crankshaft to the wobble plate, and in the crankshaft itself. The design and
sizing of the most important engine components were conducted in CATIA V5, more
specifically the crankshaft, the rolling bearings, the connecting rod and the shaft
coupling having in consideration the process of assembly and disassembly of the engine.
Because the crankshaft is designed with an irregular geometry, its structural sizing was
conducted using a structural analysis in CATIA V5. This analysis allowed an optimization
in the dimensioning and design of the crankshaft depending on the rolling bearings
positioning.
The four-stroke distribution system mechanism was thought and designed using
a cylindrical cam with a self-reversing and intersecting groove with the objective of the
groove path be concluded in two revolutions of the crankshaft. Inside the groove of the
cylindrical cam translates a cam follower. The cam follower is connected to a follower
that opens the valves. The spring mechanism found in any conventional engine was used
to close the valves once opened. This system allows the valves to be opened only once
per two revolutions of the crankshaft turning it into a four-stroke system.
The assembly and simulation of the engine was conducted once all the
components of the engine were designed in 3D using CATIA V5. The simulation showed
the mechanism performing as expected, however there is a flaw in the mechanism not
shown in the simulation. The mechanism is incomplete because it requires an extra
piece to ensure that the cam follower stays in the correct path inside the groove during
its passage thought the intersection of the groove. The posterior simulation of possible
solution using two cam followers instead of one proved not possible.
This dissertation was concluded without being possible to find a solution for that
problem.
Esta dissertação teve como objetivo realizar o projeto preliminar de um motor axial e de pistões opostos a quatro tempos. O trabalho focou-se principalmente no movimento da cambota/placa oscilante/biela/pistão selecionado e no novo mecanismo do sistema de distribuição a quatro tempos. Para começar, os parâmetros iniciais do motor foram selecionados, juntamente com um pistão pré-fabricado e em seguida estimou-se a carga máxima nos principais componentes do motor devido à pressão resultante da combustão. Foi feita a análise cinemática e definidas as equações do movimento cambota/placa oscilante/biela/pistão usando folhas de cálculo Excel sendo posteriormente calculado as forças atuantes nos rolamentos que ligam a cambota à placa oscilante, e na própria cambota. Foi feito o desenho e dimensionamento de algumas das peças do mecanismo mais concretamente a cambota, rolamentos, biela e acoplamento das cambotas em CATIA V5 tendo em conta o processo de montagem e desmontagem do motor. Como a cambota é de geometria irregular, foi necessário dimensioná-la através de uma análise estrutural realizada em CATIA V5. Essa análise proporcionou uma otimização no dimensionamento e desenho da cambota tendo em conta o posicionamento dos rolamentos que ligam a cambota à placa oscilante. O mecanismo do sistema de distribuição a quatro tempos foi pensado e desenhado usando uma came cilíndrica com uma “ranhura” que se interseta a si própria fazendo com que o percurso da ranhura demore duas revoluções da cambota a ser percorrido. Nessa came cilíndrica está um “rolo de leva” que translaciona dentro da ranhura. Esse rolo de leva está conectado a um braço “seguidor” que atua nas válvulas abrindo-as. O sistema de mola encontrado em qualquer motor convencional foi usado para fazer com que as válvulas fechem de novo depois de serem abertas pelo braço “seguidor”. Este sistema faz com que cada válvula se abra uma vez a cada duas revoluções da cambota criando um sistema de distribuição a quatro tempos. Após terem sido desenhados todos os componentes do motor em CATIA V5, a montagem e simulação do modelo virtual completo do motor foi realizada também em CATIA V5. A simulação demonstrou que o mecanismo funciona como esperado, no entanto há uma falha que a simulação não demonstra. O mecanismo é incompleto porque necessita de uma peça ou mecanismo que garanta que o rolo de leva permaneça no percurso correto durante a interseção da ranhura. A posterior simulação de uma solução envolvendo dois rolos de leva em fila demonstrou não ser viável. Esta dissertação foi concluída não sendo encontrada uma solução possível para resolver esse problema.
Esta dissertação teve como objetivo realizar o projeto preliminar de um motor axial e de pistões opostos a quatro tempos. O trabalho focou-se principalmente no movimento da cambota/placa oscilante/biela/pistão selecionado e no novo mecanismo do sistema de distribuição a quatro tempos. Para começar, os parâmetros iniciais do motor foram selecionados, juntamente com um pistão pré-fabricado e em seguida estimou-se a carga máxima nos principais componentes do motor devido à pressão resultante da combustão. Foi feita a análise cinemática e definidas as equações do movimento cambota/placa oscilante/biela/pistão usando folhas de cálculo Excel sendo posteriormente calculado as forças atuantes nos rolamentos que ligam a cambota à placa oscilante, e na própria cambota. Foi feito o desenho e dimensionamento de algumas das peças do mecanismo mais concretamente a cambota, rolamentos, biela e acoplamento das cambotas em CATIA V5 tendo em conta o processo de montagem e desmontagem do motor. Como a cambota é de geometria irregular, foi necessário dimensioná-la através de uma análise estrutural realizada em CATIA V5. Essa análise proporcionou uma otimização no dimensionamento e desenho da cambota tendo em conta o posicionamento dos rolamentos que ligam a cambota à placa oscilante. O mecanismo do sistema de distribuição a quatro tempos foi pensado e desenhado usando uma came cilíndrica com uma “ranhura” que se interseta a si própria fazendo com que o percurso da ranhura demore duas revoluções da cambota a ser percorrido. Nessa came cilíndrica está um “rolo de leva” que translaciona dentro da ranhura. Esse rolo de leva está conectado a um braço “seguidor” que atua nas válvulas abrindo-as. O sistema de mola encontrado em qualquer motor convencional foi usado para fazer com que as válvulas fechem de novo depois de serem abertas pelo braço “seguidor”. Este sistema faz com que cada válvula se abra uma vez a cada duas revoluções da cambota criando um sistema de distribuição a quatro tempos. Após terem sido desenhados todos os componentes do motor em CATIA V5, a montagem e simulação do modelo virtual completo do motor foi realizada também em CATIA V5. A simulação demonstrou que o mecanismo funciona como esperado, no entanto há uma falha que a simulação não demonstra. O mecanismo é incompleto porque necessita de uma peça ou mecanismo que garanta que o rolo de leva permaneça no percurso correto durante a interseção da ranhura. A posterior simulação de uma solução envolvendo dois rolos de leva em fila demonstrou não ser viável. Esta dissertação foi concluída não sendo encontrada uma solução possível para resolver esse problema.
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Keywords
Axial Design Preliminar Motor Pistões-Opostos Quatro-Tempos