Análisis de falla del árbol de levas de un motor de seis cilindros en
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1. La Figura 15 nos da las dimensiones para este chavetero FIG 15 DIMENSIONES DE LA GARGANTA EN LOS EXTREMOS DEL MU N Fuente Los autores En donde D 2 6987 cm d 2 560 cm r 0 060 cm td 0 0234375 D d 1 0541 De acuerdo 8 el factor de concentraci n de es fuerzo Kt para este caso es de 2 2 Se asumi este valor como el valor total de K Donde 1 12 2 es el factor de correcci n de super ficie de defecto Se despeja el esfuerzo y tenemos en la ecuaci n 6 2 2 112 x 2 7 J fan 6 2 2 0 798575x4 0 00060 x7 G g 63 455 MPa a l IV CONCLUSIONES El eje presenta fractura fr gil debido a una sobre carga producida por un torque excesivo La pre sencia de grietas emanadas del conducto central crearon las condiciones propicias para la falla La falla se localiz directamente sobre la zona en la cual se encuentra un cambio de secci n el cual a pesar de no tener un radio brusco ni agudo si presenta entalladuras producidas por maquinado La profundidad de este maquinado es excesivo y este crea una zona de altos concentradores de es fuerzos ya que en una secci n de solo 1 64 se alojan hasta 12 l neas de maquinado Se descarta la presencia de falla por fatiga ya que no hay presencia de marcas de playa ni seccio nes lisas Igualmente se descarta la fatiga t rmica como causante de falla ya que no hay indicios de secciones que presenten fragilidad en azul 62 No se observa presen2. de aceros AISI 43XX s Acorde con esto y usando para el acero AISI 4140 tenemos 13 se ve en la ecuaci n 1 Ki 90 Mpa y m 1 o 1400MPa K ic O T a 00 1400 x Es decir que el tama o de la grieta m xima permi sible para este esfuerzo es de 1 31546 mm Ahora seg n las caracter sticas geom tricas del eje sabemos que K 30 gt 06 K 3 Kic 3 2 o 90 3 30MPa De tal forma que el esfuerzo te rico m ximo que soporta el eje con un factor de concentraci n de esfuerzos de 90 MPa m Ahora seg n la teor a de grietas de Griffith el fac tor de intensidad de esfuerzo K para este caso est dado por la ecuaci n 3 Con lo cual se demuestra la sobrecarga debido a 1 12 30 7 L 3 o AAM 90 1 12x3 T L Gwae 26 7857 4 0 0006 7 Oimai 616 955 MPa la propagaci n de una grieta interna proveniente del conducto central esto debido a las condicio nes de carga ya mencionadas que producen es fuerzos alternantes producto de la operaci n nor mal del rbol de levas Seg n los datos t cnicos obtenidos del veh culo se puede calcular el esfuerzo cortante m ximo ecuaci n 4 que soportar el eje bajo las con diciones de torque m ximo es decir 285 N m a 1800 rpm para un eje hueco circular T max Torque ka Re J 4 Tmax 285 N m x 13 49mm 51589 54mm T mas 74 5 MPa 61 En las Figuras 5 y 6 se observan dos gargantas en los extremos del mu n
3. est sometido tanto a carga transversal como a carga torsional Sin embargo para efectos de c lculo los esfuerzos cortantes producidos en el eje por las cargas transversales que como son m s peque os que los producidos por torques ge neralmente son despreciados 1 6 Por facilidad de dise o y manufactura el eje se fabrica integral mente con las levas maquinadas sobre el eje En 56 62 An lisis de falla del rbol de levas de un motor de seis cilindros en l nea la Figura 1 se aprecia una secci n t pica de un rbol de levas FIG 1 EJE DE LEVAS CON LEVAS MAQUINADAS SOBRE EL RBOL EL PERFIL DE LA LEVA DETERMINA EL MOVIMIENTO DE APERTURA DE LA V LVULA Y EL TIEMPO DE APERTURA l bulo de la leva Fuente Los autores II MATERIALES Y M TODOS A Metodolog a El an lisis de la falla ocurrida al rbol de levas em pez al realizar una observaci n macrosc pica de las partes y las superficies de fractura Inicialmen te fueron identificados los mu ones de bancada a b c d e f y las levas 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 los cuales fueron numerados como se muestra en la Figura 2 FIG 2 IDENTIFICACI N Y NOMENCLATURA DE LA SECCI N FALLADA Se Secci n Il Fuente Los autores En la Figura 2 se puede apreciar la posici n de la falla respecto a la longitud total del rbol de levas De acuerdo con la numeraci n propuesta la falla ocurri en el mu n de bancada b La falla se
4. An lisis de falla del rbol de levas de un motor de seis cilindros en linea Gabriel E T llez Fontecha Ing Metal rgico y de Materiales Universidad Industrial de Santander UIS Consultor Independiente Colombia gabotellez uisOgmail com Resumen En este trabajo se analiza la posible causa de la falla de un rbol de levas de un motor de combusti n interna proveniente de motor de seis cilindros en l nea Un an lisis morfol gico muestra micro grietas provenientes de un conducto central marcas de maquinado severo y defectos probablemente producidos por maquinado de desbaste r pido y severo en zonas cr ticas de dise o y altos concentradores de esfuerzo Sumado a esto se pre sentan y debido a la naturaleza de las cargas de trabajo de un eje de levas en los puntos de concentraci n de esfuerzos esfuerzos fluctuantes que seg n el an lisis rea lizado se deduce que no indujeron una falla por fatiga Se realiz un an lisis de Fluorescencia de Rayos X XRF para establecer el material del cual estaba fabricado el eje Este an lisis comprueba las recomendaciones para selec ci n de materiales dadas por varios autores en el rea de dise o de ejes Con base en los datos t cnicos del veh cu lo se establecieron las cargas a las que estaba sometido el rbol de levas Por ltimo se utiliza el criterio de Griffith para estimar un punto de falla La presencia simult nea de estos factores disminuy la resistencia efectiva de
5. Bogot 2003 6 Hertzberg R W Deformation and Mechanics of Engi neering Materials Editorial John Wiley amp Sons Inc 4 Edici n 1995 7 Vald s J A Coronado J J Garc a J 1 Comparaci n Y Estudio de la Fractura del Cig e al de un Motor de Cuatro Cilindros en L nea Scientia Et Technica A o XII No 31 Agosto 2006 8 ASM Metals Handbook 9a edici n Cleveland 1999 9 Mayz E Conocimientos B sicos del Autom vil Octu bre 2008 Disponible en h ttp www automotriz net tecnica conocimientos basicos 04 html 10 11 12 13 14 15 16 ITECKNE Vol 6 N mero 1 e Junio 2009 56 62 Planells R Amengual Larruy A Motores de com busti n interna Fundamentos Ed UPC Barcelona 1994 Meyers M A Chawla K Mechanical Behavior of Ma terials 1 ed Prentice Hall New Jersey 1999 Anderson T Fracture Mechanics 2 ed CRC press Boca Raton 1995 Compa a General de Aceros Cat logo de productos 2008 Bogota Yang W and Tarng Y Design Optimization of Cutting Parameters for Turning Operations based on Taguchi Method J Mater Process Technol Vol 84 1998 Trent E M and Wright P K Metal Cutting Ed But teworths Heinemann Ltd 2000 London England Lopes K Sales W Palma E Influence of Machining Parameters on Fatigue Endurance Limit of AISI 4140 Steel J of the Braz Soc of Mech Sci a
6. Bucaramanga Colombia djgdiazO0ustabuca edu co Keywords Camshaft brittle failure fluctuating stress failure analisys I INTRODUCCI N En un motor de 4 ciclos cada uno de los cilindros es provisto con una o dos v lvulas de admisi n y v lvulas de escape El eje de levas permite abrir y cerrar las v lvulas 9 La cima en la leva empuja para abrir la v lvula y la zona baja permite que la v lvula est cerrada por la fuerza de un resorte 10 Los ejes de levas est n fabricados general mente en aceros de medio contenido de carbono con el fin de realizarles temple superficial por in ducci n u otros m todos similares en las super ficies de las levas y obtener altos valores de du reza que asegure la resistencia al desgaste pero que no sean muy duros al maquinar De otro lado en los mu ones y el n cleo del eje es deseable una estructura perl tica que garantice tenacidad 4 De esto podemos deducir que las cargas en un rbol de levas generan esfuerzos de flexi n torsi n y cortante por lo que se generan estados triaxiales de esfuerzos Debido a la rotaci n a la que est sometido el eje esfuerzos por fatiga es t n presentes 11 Al analizar las cargas sobre el eje vemos c mo la potencia se transmite por me dio de las levas donde las cargas ejercidas sobre ellas son equivalentes a un sistema fuerza par aplicados en el centro de las correspondientes secciones transversales del eje 7 Esto implica que el eje
7. R EL LADO DE LA BANCADA B SECCI N UBICADA LATERALMENTE EN B1 EN DONDE SE APRECIAN GRIETAS Fuente Los autores En la observaci n detallada de las superficies de fractura como la que se muestra en la Figu ra 7 se reconocieron diversas grietas las cuales emanaban del conducto central del eje No hay presencia de caracter sticas morfol gicas t picas de las fallas por esfuerzos de fatiga como son las denominadas marcas de playa ni superficies lisas La Figura 10 muestra la superficie de fa lla donde se observan puntos de posibles inicios de falla cercanos al concentrador de esfuerzos 1 conducto central del eje la cual avanz hacia el exterior del eje FIG 7 SECCI N Il MUESTRA MICRO GRIETAS QUE PARTEN DESDE EL CON DUCTO CENTRAL DEL RBOL r TA A r Y s w JA LR Aen E e Gnietas Raa Grieta dns a MES Patr n de lineas Fuente Los autores Al observar bajo mayores aumentos 20x se en contr la presencia de grietas sobre las dos super ficies En la Figura 8 se observa la propagaci n de una grieta transversal proveniente de la anomal a ubicada lateralmente en C1 ya referenciada en la Figura 5 An lisis de falla del rbol de levas de un motor de seis cilindros en l nea FIG 8 GRIETA TRANSVERSAL PROVENIENTE DE C1 v Secci n I Cl Fuente Los autores En la Figura 9 se notan claramente los pun tos iniciales de la falla que parten radialmente del conducto cent
8. cia macrosc pica de defor maci n pl stica Las caracter sticas de este acero y la temperatu ra de trabajo 200 600 C descartan la falla por choque t rmico Al igual que en fatiga t rmica no hay presencia de fragilidad en azul ni de contrac ciones o pandeos producto de un cambio de tem peratura s bito Se encontr un alto valor del factor de concentra ci n de esfuerzos localizado en los cambios de secci n para este dise o Adem s la presencia de entallas en esta misma secci n facilitaron la rotu ra por esta parte de la pieza Para un estudio m s detallado se sugiere analizar los cojinetes de la culata del motor con el fin de encontrar indicios de posibles cargas de flexi n o anomal as superficiales que puedan aportar da tos a esta investigaci n Es recomendable realizar un estudio de elemen tos finitos para corroborar la causa de falla pro puesta acorde al criterio de Griffith REFERENCIAS 1 Changli W Chengie Z Deping W Analysis of an unusual crankshaft failure Engineering Failure Analy sis Vol 12 2005 2 Beer F Jhonston R Mec nica de Materiales 4 Ed Mac Graw Hill M xico 2001 3 Dieter G Metalurgia Mec nica Ed Aguilar Barcelo na 1967 4 Mott R Dise o de elementos de m quinas Ed Pren tice Hall amp IBD 1995 5 Hern ndez H Espejo E Mec nica de fractura y an lisis de falla Ed Universidad Nacional de Colombia Unibiblos
9. l eje cre las condiciones adecuadas para la fractura en forma fr gil y abrupta Palabras clave rbol de levas falla fr gil esfuerzos fluc tuantes an lisis de falla Abstract This paper discusses a possible cause for an internal combustion engine camshaft failure in a six cilin der internal combustion engine A morphological analisis showed that there were micro cracks from a central con duit defects probably caused by a severe machinning pro cess and machining defects in design critical areas with a high stress concentration factor Additionally and due to the nature of solicitations present in a camshaft there were stresses present due to the fluctuating nature of the axis work at concentration points XRF was done to esta blish the compostion and therefore the camshaft s steel mechanical properties Such analisis coincides with seve ral authors recommendation for materials selection for this kind of shafts The vehicles technical seet provided the maximum torque that was ued to determine stresses present in the shaft The Griffith criterion was used to esta blish a falilure value The combined presence of the afore mentioned factors reduced the shaft effective resistance creating conditions for a brittle and abrupt fracture ITECKNE Vol 6 N mero 1 Junio 2009 Jorge Guillermo D az R M ster of Science in Engineering Technology University of North Texas UNT Grupo AMSCP Universidad Santo Tom s
10. l torque hacia el resto del eje La regi n de la falla est localizada en la parte final del mu n de apoyo de bancada b del eje pr ximo a la leva 4 FIG 3 NOMENCLATURA PARA LA UBICACI N DE DEFECTOS EN LA SECCI N FALLADA DEL LADO DE LA LEVA A B C D Fuente Los autores 58 La Figura 4 muestra el eje de levas por el lado de la bancada b secci n l FIG 4 EJE DE LEVAS POR EL LADO DE LA BANCADA B Fuente Los autores B Descripci n En la Figura 3 secci n l se aprecian dos zonas de desprendimientos de material en la superfi cie lateral del mu n de bancada Adem s se aprecia tambi n un ligero desgaste sobre la secci n circular en la cual se encuentra ubica do el orifico de lubricaci n Esto posiblemente atribuible a impurezas s lidas polvo suciedad part culas abrasivas o part culas met licas pre sentes en el aceite y que posiblemente entraron por el filtro de aire Dichas part culas se incrus taron en la superficie del cojinete rozan el eje y crean puntos de fricci n localizados y provocan ruptura de pel cula de aceite con el correspon diente desprendimiento de material Esta situa ci n se puede apreciar m s claramente en las Figuras 5 y 6 FIG 5 EJE DE LEVAS VISTO POR EL LADO DE LA BANCADA B SECCI N UBICADA LATERALMENTE EN C1 EN DONDE SE APRECIAN GRIETAS Fuente Los autores ITECKNE Vol 6 N mero 1 Junio 2009 56 62 FIG 6 EJE DE LEVAS VISTO PO
11. mp Eng No 1 2008
12. o nes de la secci n fallada TABLA 1 Datos t cnicos tomados de Manual del usuario Toyota A o de Producci n 1976 ITECKNE Vol 6 N mero 1 Junio 2009 56 62 Desplazamiento del motor 4230 cc 285 N m e od 29 1 kg m a O rpm Torque M ximo a Potencia Relaci n potencia peso 73 1 HP ton 54 5 W kg Fuente http www carfolio com specifications models car car 53207 Torque M ximo FIG 13 DIMENSIONES DE LA SECCI N FALLADA O TS 77 TN g T i p 3 32 Fuente Los autores Se sabe a partir de la experiencia y de la literatura t cnica pertinente que los aceros m s apropia dos para la construcci n de elementos de m qui nas como este eje son los aceros al carbono de la serie AISI 10XX y los aceros aleados de las series AISI 41XX y AISI 43XX con un contenido de carbo no no menor a 0 4 3 Los aceros m s com n mente utilizado son el AISI 1045 AISI 4140 y AISI 4340 que son aceros f cilmente disponibles en Colombia Mediante espectrometr a de fluorescencia de Ra yos X XRF se determin la composici n qu mica de los elementos aleantes con el fin de caracte rizar el tipo de acero presente De acuerdo a este an lisis qu mico el acero con el cual se fabric este eje se clasific como un acero AISI 4140 Se An lisis de falla del rbol de levas de un motor de seis cilindros en l nea toma como par metro concluyente la baja canti dad de n quel presente que hizo descartar la serie
13. o localizado 12 En este caso la fractura comenz alrededor del conducto central zona de alta concentraci n de esfuer zos Debido a esto la resistencia al cortante del material del eje fue superada por los esfuerzos cortantes Meyers M y Chawla K 11 afirman que en presencia de esfuerzos c clicos a medi da que aumenta la amplitud de esfuerzos la vida por fatiga disminuye Los esfuerzos alternativos provocaron que se propaguen las fisuras sobre la superficie de fractura Cuando se somete a torsi n un eje circular toda la secci n transversal permanece plana 2 Es decir mientras las diferentes secciones a lo largo del eje rotan ngulos diferentes cada secci n transversal rota como una placa r gida 5 De esta forma la distribuci n de las deformaciones cortantes var a linealmente con la distancia al centro del eje 4 Los efectos de los par metros de corte velocidad de corte avance y profundidad de corte durante el maquinado est n muy bien documentados y un gran n mero de estudios se han realizado para estudiar los efectos de la rugosidad producida por el maquinado en el rendimiento de piezas mec nicas sometidas a fatiga 15 14 La capa su perficial se somete a deformaci n elasto pl stica calentamiento que resulta en cambios estructu rales endurecimiento por deformaci n y estreses residuales 16 De la Tabla 1 obtenemos los valores de potencia y torque del veh culo y de la Figura 13 las dimensi
14. pre 57 sent cuando se completaron aproximadamente 20 000 Km 2 a os de servicio Igualmente se aprecia la nomenclatura de las secciones para la secci n m s corta y que contiene el mu n y m s cercana al engranaje de transmisi n Sec ci n ll para la m s larga y que empieza justo en el borde de la leva donde ocurri la falla Las fotograf as 1 al 8 excepto No 2 fueron to madas con una c mara comercial SONY Cibers hot 8 1 Megapixels Las fotograf as 7 a 13 fueron tomadas con un Microscopio Cofocal 3D HIROX del laboratorio de Bio materiales de la Universi dad Industrial de Santander La composici n qu mica fue evaluada con Fluorescencia de Rayos X XRF realizada en el CDP Centro de Desarrollo Productivo de joyer a en Bucaramanga La observaci n de las superficies de los mu ones y las levas del rbol de levas permiti valorar la calidad de los acabados superficiales de mecani zado y se observ que las superficies no presen taban desgaste excesivo ni ninguna otra evidencia f sica de deterioro Adem s el ensamble fue ade cuado y no exist an reparaciones previas No se evidenci picado o desprendimiento de material Para la ubicaci n de defectos se numer la sec ci n como se muestra en la Figura 3 Por la geometr a del pedazo de cig e al despren dido en la fractura con el mu n 1 se aprecia que la falla ocurri cercana al lado del engranaje En este extremo se manifiesta la entrega de
15. ral hacia el exterior del eje lo cual sugiere una falla por torque excesivo o sobrecarga el cual debido a la naturaleza del material falla fr gilmente La no presencia de patrones de propagaci n de las grietas indica una falla abrupta y fr gil lo cual indica que la sobrecarga no permiti la propagaci n de di chas grietas FIG 9 SECCI N B3 20X i Bi UE Pe e T a i paN A im a TA E Y L y id s par el EHA Fuente Los autores En la Figura 11 se aprecia una gran cantidad de entallas provocadas muy posiblemente por un maquinado severo La presencia de estos concentradores de esfuerzos afectan a n m s la capacidad de resistir carga del material 59 FIG 11 B1 SECCI N 1 MARCAS D E M AQUINADO DURANTE LA FABRICACI N 20X Fuente Los autores Consecuentemente con esto en la Secci n Il se observa un patr n similar al de la secci n l Las grietas se hacen m s notorias y vemos claramen te patrones de propagaci n radiales hacia el exte rior del eje como se muestra en la Figura 11 FIG 14 SECCI N Il 20X Fuente Los autores En la Secci n ll tambi n se encuentran entallas debido al maquinado de desbaste como se apre cia en la Fig 12 FIG 12 ENTALLAS DEBIDO A MAQUINADO SECCI N ll 20X Fuente Los autores 60 Ill DISCUSI N A Modelo Te rico de Esfuerzos Debido a que el eje est sometido a torque y cargas c clicas se presenta un mecanismo de deslizamiento at mic
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