O que é uma biela? Tipos, materiais e fabricação

O que é uma biela

O que é uma biela? Em termos simples, é um componente do motor que converte o movimento ascendente e descendente do pistão em movimento rotacional. É exatamente assim que o seu rodas de carro Correr. A biela converte o movimento e o transmite ao virabrequim, a manivela fornece comandos para a caixa de câmbio, e a caixa de câmbio transmite para o eixo de transmissão do seu carro. 

Materiais como aço carbono, alumínio, titânio e ligas de aço são utilizados na fabricação de bielas. Eles podem proporcionar alta resistência, resistência à fadiga, rigidez e boa resistência ao desgaste para suportar o estresse contínuo no motor. 

Como componente crítico em motores automotivos (ou em qualquer motor alternativo), a biela deve ser projetada, fabricada e finalizada com diversas considerações. Então, vamos detalhar isso.

O que é uma biela?

Vamos começar com a definição de biela: é um componente estrutural que conecta o pistão ao virabrequim e converte o movimento alternativo do pistão em movimento rotacional. Ela suporta cargas cíclicas de tração e compressão, ao mesmo tempo em que resiste à flambagem e à flexão.

Este componente mecânico impacta diretamente o desempenho, a vibração e a durabilidade do motor. Bielas pesadas e de baixa resistência reduzem o torque, e projeto e comprimento incorretos podem causar falhas. 

Além disso, há várias peças da biela, como a extremidade pequena, a haste, a extremidade grande, a bucha de metal e o pino da manivela.

Partes de uma biela

• Rolamento final pequeno: É a parte circular menor que contém uma bucha ou um rolamento, e o pino de fixação conecta o pistão e a biela nessa extremidade. 
• Largura: Também é conhecido como haste ou corpo, normalmente seção transversal de viga I ou H entre duas extremidades.
• Rolamento da biela: A extremidade maior que liga o virabrequim à biela. A tampa externa é aparafusada com um pino de manivela. 
• Porca e parafuso: Fixadores que unem a tampa da extremidade grande ao corpo da biela ao redor do pino da manivela. 

Como a biela está associada ao pistão e ao virabrequim, Compreendendo a função do virabrequim e os fatores de custo, e as características do pistão são essenciais. Portanto, otimizar os componentes da biela, do virabrequim, do pistão e do cabeçote, em conjunto, ajuda a operar o motor com eficiência. Se você tiver interesse em saber mais, leia Melhorando o desempenho do motor com usinagem de cabeçote de cilindro clicando no link aqui. 

Como funciona a biela e suas funções

Funcionamento da biela

A biela possui duas extremidades circulares e uma haste. O rolamento da extremidade menor conecta-se ao pistão, e o rolamento da extremidade maior, ao virabrequim. A bucha metálica (rolamento de rolos) na extremidade menor do rolamento está conectada ao pistão através do pino de fixação. Por outro lado,

O mancal da biela é dividido em duas seções e aparafusado ao pino da manivela do virabrequim. Enquanto isso, os casquilhos do mancal na biela ajudam a alinhá-lo corretamente com o pistão. 

À medida que o pistão se move para baixo após a combustão, as bielas transmitem a força ao pino da manivela em um ângulo. O deslocamento do pino da manivela converte a força descendente em uma força rotacional à medida que é transmitida ao eixo. Então, a manivela empurra o pistão para cima enquanto ele gira.

Além da conversão de movimento, outras funções das bielas são: 

• Suporta altas tensões de tração, compressão e flexão. 
• Ele alinha o pistão e o virabrequim, permitindo um caminho estável para o pistão. 
• Reduz a vibração.
• A biela também ajuda a obter a sincronização precisa do motor com o eixo de comando. 
• Como um dos componentes de saída de potência, as bielas otimizadas contribuem para a eficiência do motor.

Quais são os tipos de bielas? 

Tipos de bielas

Como cada tipo possui características e casos de uso específicos, é essencial escolher o tipo certo de biela para obter melhor desempenho e durabilidade. A escolha depende dos requisitos finais de funcionalidade, como limite de peso, resistência à flexão e resistência à tração.

Você pode encontrar três tipos de bielas com base na seção transversal da viga usada na haste: viga I, viga H e viga X. 

Vamos elaborá-los mais detalhadamente.  

Bielas de viga I 

A razão por trás desse nome são as seções transversais em forma de I da haste. Essas bielas leves e econômicas têm um design simples, mas oferecem boa resistência à fadiga, tração e compressão. Portanto, as bielas em forma de I são utilizadas em diversas marcas de motocicletas, carros e veículos de passeio. Além de motores de combustão interna, elas também são adequadas para outras máquinas e sistemas com potência inferior a 1000 cavalos. 

Bielas de viga H 

Na viga H, uma viga no meio de duas vigas verticais assemelha-se a um "H". Essa geometria torna a biela mais pesada, rígida e resistente. As bielas em viga H são adequadas para pressões extremas, altas rotações e cargas de torção. No entanto, em caso de desalinhamento, os rolamentos precisam suportar cargas maiores. 

Eles são normalmente usados ​​em motores de alto desempenho e máquinas pesadas, incluindo motores a diesel industriais, carros de passeio, motos esportivas, carros de corrida, carros turboalimentados e V8 superalimentados. 

Além disso, aço, titânio ou ligas de alta resistência são opções de materiais padrão para bielas de viga H. 

Bielas de viga X 

A seção transversal em formato de X permite que você aproveite os benefícios das vigas I e H. Este design reduz o peso, mas ainda oferece alta resistência, resistência a rachaduras e flexibilidade. Você pode usá-los em motores de alto desempenho e eficiência. Além disso, são adequados para requisitos de baixa rotação e alto torque.  

Alguns casos de uso típicos de bielas X-beam são motores de corrida, carros de luxo e motores a diesel personalizados. 

Materiais da biela 

Como a biela pode alterar a operação e a eficiência do veículo (ou sistema), o material deve ser escolhido com cuidado. Você pode comparar as propriedades físicas e mecânicas, a usinabilidade e o custo das opções disponíveis para selecionar o material ideal para suas necessidades.

Materiais da biela 

Os materiais comuns das hastes são aço, ligas de aço, ferro fundido, ligas de alumínio e titânio. A tabela abaixo ilustra suas principais características e exemplos de aplicação. 

Métodos para fabricação de bielas 

Depois de escolher o material certo para a biela, você precisa decidir qual método de fabricação é mais adequado. Às vezes, é necessário aplicar mais de um processo de fabricação para aprimorar os resultados.

Os métodos comuns de fabricação de bielas incluem forjamento, usinagem CNC e fundição. Além disso, elas podem precisar de acabamento superficial e tratamento térmico no final. 

1. Forjar

Bielas forjadas

No forjamento, tarugos de alumínio ou aço inoxidável são prensados ​​dentro de uma matriz com o formato da biela desejada. Os metais também são aquecidos para melhor fluidez e estrutura de grãos nos itens forjados. Este método também melhora a resistência mecânica. 

Às vezes, bielas forjadas são usinadas para obter maior precisão e acabamento. São adequadas para cargas pesadas, como motores de corrida.

2. Usinagem CNC 

Usinagem de bielas 

Este método utiliza códigos de computador para cortar com precisão as bielas no formato desejado a partir de blocos de material. Se você precisa de tolerâncias rigorosas e excelente repetibilidade, o CNC é a melhor opção. Além disso, também é econômico fabricar protótipos de bielas.

O movimento preciso da ferramenta permite moldar os furos finais com precisão. O CNC também proporciona um acabamento melhor do que outros métodos. 

3. Fundição 

Biela fundida 

Normalmente, as bielas são fundidas em ligas de alumínio, mas, por vezes, outros materiais também são utilizados. O processo começa por fabricar um molde com uma cavidade, garantindo que a geometria da cavidade seja idêntica à da biela. Em seguida, o metal fundido é vertido na cavidade do molde sob alta pressão, onde flui e assume a forma desejada. Finalmente, o molde é aberto para ejetar a biela. 

Você pode usar esse método para bielas leves para diversas necessidades, como motores de motocicleta com baixo consumo de combustível. No entanto, as bielas fundidas não são tão resistentes quanto as forjadas.

4. Tratamento térmico 

Processo de Tratamento Térmico

O processo de tratamento térmico altera as propriedades físicas e mecânicas, alterando ligeiramente a microestrutura do material. Para bielas, o tratamento térmico de têmpera e revenimento é realizado para aumentar a dureza e a resistência.

Bielas tratadas termicamente suportam maiores tensões mecânicas e térmicas. Elas se tornam mais resistentes ao desgaste e à formação de trincas.  

Se você quiser ler sobre a fabricação de outros componentes automotivos, clique em Usinagem CNC para direção de alto desempenho e Usinagem CNC para peças de carros clássicos e antigos clique aqui. 

Considerações sobre o projeto da biela 

Projeto da biela

O design e a capacidade de fabricação são os principais requisitos para produzir bielas precisas. Durante essa fase inicial, você pode personalizar o formato, o tamanho e as características. Um bom design também pode reduzir o peso e aumentar a durabilidade.

As principais considerações incluem carga, resistência, tipo de viga, relação comprimento/manivela e atrito, que são brevemente elaboradas abaixo; 

• Espectro de carga e resistência

A biela sofre tensões cíclicas, portanto, garanta que seu projeto tenha integridade estrutural para suportar cargas de compressão e tração a longo prazo. Para isso, você pode realizar a Análise de Elementos Finitos (FEA) para testes de fadiga. 

• Tipo de viga 

Com base nos requisitos da sua aplicação, escolha viga I, H ou X, a que for mais adequada à relação resistência-peso desejada. A haste deve ser capaz de sustentar o impulso do pistão. 

• Relação comprimento/manivela

Um comprimento maior aumenta o peso da biela, o que pode limitar a rotação do motor. Portanto, é necessário otimizar a relação comprimento-manivela. Ela é definida pela relação entre o comprimento da biela e o curso da manivela. Você pode definir essa relação entre 3.5 e 4.5. 

• Seleção do material

A escolha do material certo para a biela não só garante a funcionalidade desejada, como também desempenha um papel fundamental na redução de peso. Para aplicações de alto desempenho, você pode escolher Ti-6Al-4V. 

• Fricção 

Considere o atrito nos pontos de união das bielas durante o projeto. Garanta um bom projeto de rolamentos, acabamento e lubrificação para reduzir o atrito.

Conclusão 

A biela influencia diretamente o funcionamento, a eficiência, a confiabilidade e a vida útil de qualquer motor alternativo. Compreender sua estrutura e tipos, escolher o material certo, a fabricação cuidadosa e o tratamento térmico garantem as características desejadas na biela. Você deve ser capaz de distinguir variações e características para uma seleção ideal. 

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Perguntas Frequentes 

O que faz uma biela?

É um componente estrutural em motores que liga o pistão e o virabrequim para a conversão do movimento linear em movimento rotacional.  

O que conecta o pistão ao virabrequim? 

O pistão é conectado ao virabrequim por meio da biela. A extremidade menor da biela conecta o pistão por meio do pino de fixação.

O que acontece quando uma biela estraga?

Uma biela ruim apresenta sinais como batidas, baixa eficiência e ruídos nos rolamentos. Ela deve ser substituída após esse período; caso contrário, o motor pode comprometer o desempenho ou até mesmo causar falhas. 

Quanto custa para substituir uma biela?

O custo de substituição de uma biela depende de fatores como tamanho, função e tipo de motor. Para motores de motocicleta, pode custar de US$ 50 a US$ 300, enquanto para motores pesados ​​pode custar até US$ 2000 ou mais. 

Biela e biela são a mesma coisa?

Embora esses dois termos sejam usados ​​indistintamente nos motores de combustão interna mais recentes, a haste do pistão é mencionada explicitamente com mais frequência em motores a vapor, compressores e cilindros hidráulicos. 

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