Analisis de Falla en Leva 1

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RESUMEN TECNI TECNICO CO Y A RTICULOS RTICULOS DE A NAL ISI ISIS DE FAL LA EN UN ARBOL DE LEVAS LEV AS Profesor: Liz Karen Herrera SEBASTIAN SALINAS LUIS CARLOS CRUZ GUEVARA STIBEN CAMILO IBARRA EDUWIN NORBERTO ROJAS DEPARTAMENTO DE INGENIERÍA MECANICA Y MECATRÓNICA

En los ejes de levas e los motores diésel se tiene asociadas a cada uno de los cilindros 3 levas: leva de la válvula de admisión, leva de la válvula de escape y leva de inyección. El sistema de inyección de combustible del motor diésel es accionado para cada uno de los cilindros por la respectiva leva de inyección a través de un sistema, como el mostrado en la figura 1, donde se tiene un seguidor de rodillo que actúa obre un empujador y este a su vez lo hace sobre el inyector de combustible del cilindro, por medio del balancín.

1 PIEZA 

Árbol de levas. Motor de combustión interna de ciclo Otto de un automóvil Chevrolet Corsa L modelo 1997 tipo Sedán.

2 FUNCIONAMIENTO 

.En investigación.

3. HISTORI HISTORIAL AL DE FALL A 

En investigación.

4. DIVISI DIVISION ON DE PIEZA EN TORNO A LAS FALLAS: 

En investigación.

5. ARTICULOS: 1) ANA LISIS DE FALL A DE UN EJE DE LEVA S DE UN MOTOR ENCENDIDO POR COMPRESION

Este eje de levas presento fatiga superficial prematura en las levas de inyección. Se realizó estudios metalúrgicos y no se encontraron evidencias de imperfecciones de material o proceso, lo que llevo a indicar que la causa de falla pudo estas en operación y/o mantenimiento del motor.

Ilustración 1

La falla del eje de levas consistió en la presencia de desgaste prematuro por fatiga superficial (periodo de falla inferior al indicado por el fabricante), de algunas levas de inyección donde se encontró desprendimiento de material en las 1

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zonas fatigadas, dejando fracturas con dos tipos de morfologías: facetas de fractura perpendiculares a la superficie y con ángulos agudos, en la figura 2 se esquematizaron los dos tipos de falla. La literatura asocia estos tipos de fatiga superficial a dos situaciones de fricción entre los cilindros: 

Fatiga superficial debida a cargas de compresión y de fricción deslizante: aquí

Ilustración 3

se presentó el origen de la fatiga sobre la superficie, ya que allí se originan esfuerzos normales de tracción mínimos. 

Fatiga superficial debida a cargas de compresión y de fricción por rodadura: en este caso la carga de fricción al ser muy pequeña hace que predomine la carga de compresión y por lo tanto los esfuerzos hertzianos que, como ya se mencionó presentan cortante máximo debajo de la superficie y es precisamente allí donde se encuentra el origen de la fatiga.

Ilustración 4

En la figura 3 y 4 se muestra el origen de la

En la figura 5 se muestran fotografías

fatiga en el caso de fricción por deslizamiento

correspondientes a las levas de inyección que

y por rodadura en presencia de fuerza

presentaron fatiga superficial.

compresora. Como es de esperarse el

El las fotografías de la figura 5se puede observar

material desprendido por fatiga de las levas

como las levas que fallaron mostraron tanto

y/o del seguidor, produjo adicionalmente

facetas con ángulos de salida agudos como

desgaste abrasivo sobre las superficies.

rectos, indicando que se presentaron orígenes de fatiga tanto en la superficie como a nivel subsuperficial; adicionalmente se puedes observar regiones donde se presentó desgaste abrasivo producido por el material desprendido por fatiga.

Ilustración 2

2

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Ilustración 6

En la figura 6 se muestra en corte una leva que sufrió el desgaste superficial, donde se puede observar a presencia de las grietas producidas por fatiga, que en este caso poseen ángulos agudos respecto a la superficie. En la figura 7 se muestra la fotografía de un seguidor asociado a una de las levas que fallo por fatiga superficial, donde se puede apreciar también la presencia de este tipo de falla, solo que en este caso se hace notorio que además de la zona central, el seguidor también fallo e n las zonas de mayores esfuerzos hertzianos según lo mostrado en la figura 8.

Ilustración 7

Ilustración 5

Ilustración 8

3

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Los ejes de las levas están fabricados

transversales de ellas como se ilustra en la figura

normalmente en aceros de alto carbono con el fin

9.

de realizarles temple superficial por inducción u otros métodos en las superficies de las levas y obtener así altos valores de dureza que aseguren alta resistencia al desgaste, mientras que en los muñones y el núcleo del eje se deja una estructura perlitica que lo de te nacidad. La composición química del material que se trata de un acero 1080 tal como se relaciona en la tabla 1. Observe que no se encuentra cantidades

Ilustración 9

peligrosas de sulfuros, las cuales pueden ser Se toma microdureza en las secciones cortadas,

causantes de fatiga.

disminuyendo la distancia radial, es decir Tabla 1. Porcentajes de peso de aleantes en las levas

tomando dureza desde la superficie hasta el

C

Mn

P

S

Cr

Ni

Mo

Al

Cu

0,8

0,57

0,008

0,01

0,14

0,06

0,03

0,01

0,11

centro; en la tabla 3 se anotan los valores obtenidos y en la figura 10 la gr áfica de estos. Tabla 3. Toma de microdureza distancia desde la leva que fallo superficie (Knox) (micras) 25 777 50 807 100 735 250 703 500 745 750 715 1000 773 1250 770 1500 798 2000 745 2500 719 3000 670 3500 524 4000 385 4500 302 5000 336 5500 262 6000 281

Co el fin de establecer si había diferencias importantes en las propiedades mecánicas entre una leva de un eje que hubiera fallado por fatiga superficial y la de un eje que no lo hubiera hecho, se tomaron medidas de dureza tanto e n la superficie como en el núcleo de una leva en los dos casos, en la tabla 2 se relacionaron los valores de la leva que fallo y la que no. tabla 2 comparación de durezas leva

dureza núcleo (RC)

fallo no fallo

21 21

dureza lóbulo superior (RC) 56 56

dureza lóbulo inferior (RC) 58 57

Observando los datos en la tabla 2 e puede afirmar que no ay diferencias importantes en la resistencia mecánica de una leva respecto a la otra. En lo anterior se decidió realizar los perfiles de microdureza de las capas templadas de las dos levas, para lo cual se hizo necesario hacer cortes

4

leva que no fallo (knoop) 770 799 792 762 784 735 795 788 780 773 762 784 719 534 385 330 256 260

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Ilustración 10

Ilustración 11

Observando la gráfica de microdurezas se puede notar que la leva que experimento la fatiga



Perlitica en el núcleo de los ejes



Martensitica revenida en las capas

superficial, posee un nivel de microdureza

templadas

ligeramente inferior al de la leva que no presento daño, además la capa templada es un poco más

En la figura 11 se muestran las micrografías de

profunda en esta última leva. No obstante lo

núcleos y superficies de las dos levas. Ya no existe

anterior, no se considera que esta pequeña

diferencia entre las microestructuras de las capas

discrepancia pueda haber favorecido la falla, ya

ni entre los núcleos, se puede concluir que es un

que la diferencia de microdurezas no es

poco probable que la razón de la falla prematura

apreciable y a capa aunque es me nos en la leva

de los ejes con levas de inyección que

que presento falla, tiene un espesor importante

presentaron la fatiga superficial, tenga su origen

de 3500 micras, el cual asegura que los esfuerzos

en el material o en el proceso de fabricación de

contantes máximos estén en la zona de máxima

los ejes.

dureza, ya que según los datos de la ASM estos se

Cobre el seguidor que acompañaba a una de las

presentan aproximadamente a 0,25 milímetros de

levas que fallo maturamente, se realizaron

la superficie. Sobre las secciones cortadas de las

ensayos de dureza y metalografía, para poder

dos levas se realizó metalografía en las capas

identificar si la razón de la falla se encontraba allí.

templadas y en el núcleo, encontramos que para

La dureza superficial obtenida que es la misma del

el cao de la leva en buen estado y de la leva que

núcleo fue de 62 RC y la microestructura

fallo se presentan las mismas estructuras (figura

corresponde a la de u acero para herramientas

11):

templado y revenido, es decir, presenta carburos esferoidales en la matriz de martensita revenida. Esta microestructura y esta dureza co rresponden a norma en los aceros para herramientas, luego no existe razón para creer que el origen de la falla este en el material o el proceso de fabricación del seguidor.

5

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Teniendo en cuenta que no se encontró



evidencia de que el origen de la falla estuviera en los materiales, y procesos de fabricación de los ejes y seguidores, cobra importancia el análisis de las condiciones de operación de los motores. Para que se hubiera recentado la falla del eje de levas por causas de operación, es necesario que las fuerzas compresivas entre el seguidor y la leva originaran esfuerzos hertzianos excesivos para acelerar el proceso de fatiga. El fabricante del motor especifica las siguientes posibles causas de fuerzas excesivas entre el seguidor y la leva: 

Alineación deficiente del eje de levas



Sobrecarga del eje por una sobre velocidad del motor



Incorrecta selección de las toberas de inyección de los inyectores de combustible



Deficiente lubricación del motor que origino aumento de las fuerzas de fricción deslizantes.

Delo que se concluye que el origen de la falla fue una incorrecta operación de uso o m antenimiento de los ejes o del motor en conjunto.

6. BIBLIOGRÁFIA 



  

Forero Mora Álvaro, Laboratorio de Materiales: Universidad Nacional de Colombia, Facultad de ingeniería 1993. Mecánica de fractura y análisis de falla. Héctor Hernández albañil, Edgar espejo mora  ASTM: “Mechanical Testing of Steel Products”   ASTM: “Tension Testing of Metallic Foil”   ASTM: “Tension Testing of Metallic Materials” 

7. ANEXO S 



Ortiz, Henry Mauricio. Vidal, Lucila  .Estudio y análisis del desgaste en levas mediante ensayos no destructivos cuantitativos. 2007 Tellez, Javier. Díaz, Jorge. Análisis de falla del árbol de levas de un motor de seis cilindros en línea. 2009

6

Tovar, Gustavo.  Análisis componentes de ingeniería.

de

falla

de