Fallas por Fartiga

Universidad de los Andes
Departamento de Ingeniería Mecánica
Diseño de Sistemas Mecánicos - IMEC 3530
Grupo 2.
Córdoba Jose María, Garay Mauricio, Moreno Diego, Sánchez Posada Juliana, Urbano Mauricio (Director)
Proyecto Corto 2: Fallas por Fatiga
Febrero 18 de 2013
Proyecto Corto 2: Fallas por Fatiga
Resumen: El presente informe corresponde al segundo proyecto corto del curso Diseñode Sistemas Mecánicos. El objetivo es estimar las cargas que soporta un cigüeñal de un motor de combustión interna de 4 tiempos, 4 cilindros en línea en un plano común, y a partir de ellas determinar el punto crítico de esfuerzos sobre la pieza. Una vez obtenida esta información se debe hallar un valor para el factor de seguridad de la pieza siguiendo una teoría de falla seleccionada. Finalmente setoma la geometría del cigüeñal y se plasma en unos planos de detalle. Para cumplir con los objetivos propuestos inicialmente se realizará una breve descripción de la pieza. A continuación se determinarán las condiciones de carga tanto estáticas como dinámicas, para luego desarrollar un modelamiento por elementos finitos, donde se analice la resistencia de la pieza y se obtenga el esfuerzo máximoal que está siendo sometida. Posteriormente se realizará un análisis de falla por fatiga de la pieza donde se identificará el factor de seguridad asociado. Finalmente se presenta una conclusión con el resumen de resultados.
Introducción y Revisión Bibliográfica
El cigüeñal es una pieza indispensable en el funcionamiento de un motor convencional de combustión interna ya que es el eje principaldel motor. Tiene codos en forma de manivela que reciben el movimiento ascendente y descendente del conjunto Biela-Pistón, convirtiendo el movimiento lineal y reciprocante del pistón en un movimiento rotacional (Farzin, 2007).
Cada manivela está formada por 2 brazos llamados brazos de manivela y por la muñequilla de manivela o codos de biela que gira sobre el cojinete de la cabeza de biela. Lasmuñequillas del eje de rotación del cigüeñal se denominan muñones de bancada o muñones principales. En los motores con los cilindros en línea el número de manivelas regularmente es el mismo que el de cilindros. En los motores en V generalmente el número de manivelas es la mitad del de cilindros (Valdez, Coronado, & García, 2006). En los motores en línea puede haber 1 muñón principal por cadamuñequilla de biela o 1 muñón principal por cada 2 muñequillas de biela. Para evitar las fuerzas y momentos de sacudimiento producidos por el violento movimiento del conjunto Biela-Pistón, que pueden aumentar los esfuerzos y provocar vibraciones excesivas (Norton, 2009), el cigüeñal debe balancear dinámicamente estas fuerzas. Por esta razón el muñón de biela debe tener contrapesos que sobresalen del ladoopuesto de uno de los 2 brazos de manivela con el fin de realizar el balanceo del sistema.


Figura i: Partes de un cigüeñal.

Los cigüeñales comúnmente se manufacturan en una solo pieza con el fin de evitar concentradores de esfuerzos en uniones. Debido a esto y a la complejidad de la geometría los procesos de manufactura más utilizados son la fundición y la forja. La fundición se realizacomúnmente con hierro nodular para cigüeñales presentes en motores de baja potencia. Para el proceso de forja se puede utilizar Aceros AISI 4140, 4340 o 4130 (Gray, 2010). Los cigüeñales, en algunos casos se manufacturan mediante maquinado obteniendo tolerancias y acabados superficiales superiores, sin embargo este método es poco utilizado en la industria ya que es poco práctico y muy costoso.
Ya queel cigüeñal presenta una geometría compleja con muchos cambios de sección que actúan como concentradores de esfuerzos (Williams, 2007). Durante su funcionamiento está sometido a distintos tipos de cargas, sin embargo se ha demostrado que para el análisis de este tipo de elementos por lo general solo se tiene en cuenta la torsión máxima y el momento flector máximo (Williams, 2007). La torsión...