Automotive crankshafts analysis using analytical and flexible models

Resumo: O virabrequim é um dos componentes mais importantes de um motor de combustão interna. É responsável, juntamente com as bielas, por transformar o movimento de translação dos pistões em movimento rotativo, capaz de transmitir torque. Durante o funcionamento do motor, o virabrequim é submetido a cargas axiais, torcionais e de flexão, as quais resultam em regiões com níveis elevados de tensões ao longo da peça. Além disso, o virabrequim apresenta altos níveis de carga de torção devido às vibrações torcionais, que é uma das maiores causas de falhas de vibrabrequins e de outros acessórios do motor, como polias, correias, trens de engrenagem etc. Este trabalho consiste no estudo e desenvolvimento de um programa computacional, denomidado CrankLab, para cálculo analítico de tensões e coeficientes de segurança de fadiga em virabrequins, que possa ser utilizado como uma ferramenta simples para a fase inicial de concepção do virabrequim. O estudo abrange o cálculo dos esforços dinâmicos, provenientes da combustão nos cilindros do motor e das forças inerciais devido ao movimento das partes móveis do motor de combustão interna, e o cálculo das amplitudes de vibração torcional. O método analítico desenvolvido considera o virabrequim como um eixo equivalente de seção circular, onde são aplicados os esforços radiais provenientes das bielas e os torques de vibração torcional, apoiado nos mancais principais. Os momentos fletores e torçores são calculados a partir da integração das equações de equilíbrio estático, considerando um modelo hiperestático, a partir dos quais são determinadas as tensões equivalentes. Ainda neste trabalho, foi realizado um estudo comparativo da aplicação de alguns tipos de absorvedores de vibrações torcionais e seus efeitos nas amplitudes de resposta, tendo como consequência a redução nas tensões no virabrequim. Dois casos foram estudados: um motor Otto de dez cilindros em V e um motor Diesel de seis cilindros em linha. Foram analisados regimes críticos de operação de cada motor: máximo torque, máxima potência e máxima rotação. Um experimento de análise modal do virabrequim de seis cilindros foi realizada de forma a validar as frequências naturais e os modos de vibração dos modelos propostos. Análises dinâmicas transientes com modelos flexíveis foram realizadas para ambos os casos, de forma a correlacionar com os resultados do modelo analítico. Os resultados de análise modal obtidos com os métodos analíticos, flexíveis e experimental foram bastante correlatos entre si, com erros menores que 5%. Os resultados de vibração torcional calculados pelo programa CrankLab também apresentaram excelente correlação com o modelo analítico do programa AVL Excite e o uso de absorvedores resultaram em considerável redução das amplitudes de vibração. Os resultados de tensões obtidos pelo CrankLab apresentaram a mesma ordem de grandeza dos obtidos pelos modelos flexíveis, com erros variando de 1% a 38%. Estes erros podem ser considerados aceitáveis uma vez que as condições de contorno e as simplificações do modelo analítico diferem bastante daquelas utilizadas nos modelos flexíveis. Tem-se como grande vantagem do programa CrankLab o menor tempo de pré processamento e cálculo, podendo ser inferior a 10% na maioria dos casos.Abstract: The crankshaft is one of the most important moving components of an internal combustion engine. It is responsible for converting the oscillating pistons movement into rotating movement by the connecting rods. During engine operation, the crankshaft is submitted to axial, bending and torsional loads, which results in high stressed regions on the component. Due to the phased cylinder combustions, the crankshaft has high levels of torsion load, being the torsional vibration one of the main causes of failures in crankshafts or engine accessories, as pulleys, belts and gears. The present thesis consists in the development of a computational program, called CrankLab, for analytical calculation of stress and fatigue safety factors on automotive crankshafts, which could be applied as a simple engineering tool during the initial crankshaft concept design phase. The study covers the determination of dynamic loads, from the combustion inside the engine cylinders and from the moving parts inertia, and the torsional vibration amplitudes calculation. The analytical method developed considers the crankshaft as an equivalent circular cross section shaft which is supported by the main bearings and where the connecting-rods radial forces and the vibration torques are applied on. The bending and torsion moments are calculated from integration of the static equilibrium equations, considering a hyperestatic model, thus the equivalent stresses can be calculated. Also in this study, a comparison was performed for some torsional vibration damper types, covering the calculation of optimum parameters of inertia, stiffness and damping, evaluating the effects on the output amplitudes within the entire engine speed range and the influence on the crankshaft stresses. The theory was applied for two different cases of study: an Otto V-type ten cylinders engine and a Diesel in-line six cylinders engine. Critical engine operation conditions were analyzed, at the speeds related to peak torque, rated power and overspeed. A modal analysis experiment was performed in order to validate the natural frequencies and modal shapes obtained by the proposed models for the six cylinders crankshaft. Moreover, transient dynamic analyses with flexible bodies were performed in order to compare with the stress results obtained from the analytical model for both cases. The modal analyses results obtained from the analytical, flexible and experimental methods were very good correlated with errors lower than 5%. The torsional vibration results calculated by CrankLab also presented excelent correlation with the analytical module of AVL Excite software. Moreover, the torsional dampers allowed considerable reduction in the vibration amplitudes. The stress results calculated by CrankLab have shown same order of magnitude of those from flexible models with errors variation between 1% and 38%. These errors can be acceptables once the boundary conditions and the analytical model simplifications are great different from those regarded in the flexible models. The most importante advantage of CrankLab is lower time spent in pre processing and calculation tasks, achieving a time saving around 10% in most cases