Análisis del material de construcción de la biela de un motor Jeep a gasolina.

Ayaso Barrios Manuel Alberto maayasob@unal.edu.co, Garzón Velandia Julián jegarzonv@unal.edu.co, Jaramillo Valencia juliana jujaramillova@unal.edu.co, Rozo López Nicolás nirozolo@unal.edu.co

Materiales de Ingeniería.Facultad de Minas.

Universidad Nacional de ColombiaSede Medellín.

14 de mayo de 2012

MATERIALES Y PROCESOS USADOS EN BIELAS:

En la actualidad las bielas son fabricadas por tres tipos diferentes de procesos, como se puede apreciar en la siguiente grafica.

Se observa que al ser un motor Jeep el que se analiza se tiene una alta posibilidad de que la biela sea por pulvimetalurgia aunque aún no se descarta ninguna de los tres procesos de conformación.

Usando el Software CES Edupack, podemos conocer los materiales más comunes que se usan para hacer bielas.

Se observa gran variedad de aleaciones de aceros, aluminio fundido y magnesio.

Corroborando la información y usando como referencias catálogos de Jeep[1] he información acerca de las bielas de manufactura estadounidense [2][3], se observa que se usan principalmente tres tipos de aleaciones de acero, AISI 4140, AISI 4340 y AISI 4330, esta última no aparece en los resultados arrojados por el CES Edupack, por tanto se decido corroborar su ficha técnica.

Dentro de sus aplicaciones aparecen en partes automotrices e ingeniería mecánica en general, lo cual corrobora que es un material que se puede usar para bielas.

Se descartan, aluminios, magnesios y titanios debido a su alto precio y que generalmente son usados para bielas de motores de alto rendimiento, el cual no es propio de este análisis.

Dentro de los tres tipos de aleaciones de acero, la más usada por Jeep en USA [4] es el AISI 4340, del cual se busco su ficha técnica [5], para conocer su composición química, procesos a los que se le puede someter y principales aplicaciones, se encontró que son usados para hace bielas, engranes, cigüeñales entre otros. Este acero se puede forja, templar, recocer y revenir, en cuanto a tratamientos superficiales lo común para este material es nitrurar o recubrir con cromo.

Como tratamiento superficial para las bielas generalmente se usa granallado o shot peening, los cuales incrementan la resistencia a la fatiga.

METODOLOGIA DE TRABAJO:

ANÁLISIS DE FUERZAS:

Explosión: Durante la explosión del combustible se encuentra la mayor fuerza a compresión, esta se calcula asumiendo que la presión que se alcanza en el cilindro es alrededor de 4 MPa.

Luego F=P× Apiston=(4×106 )× π4

(0.0942 )=27.8KN Donde A: área cabeza del pistón

De esta forma la fuerza máxima a compresión que soporta la biela es F = 27.8 KN (ver anexos), esta fuerza es una fuerza a compresión en el sentido axial de la biela según la literatura [6] se encuentre a 22° aproximadamente con respecto al cigüeñal.

Fuerzas de inercia: Para determinar el análisis dinámico y las demás fuerzas que actúan sobre la biela durante todo el movimiento se tienen una serie de ecuaciones tomadas del libro de diseño de maquinaria de

F ix=−mA (– r w2cosθ )−mB (−r w2cosθ+ rlcos2θ) = 26387.6N

F iy=mA (−r w2 sin θ )= -2648 N

Donde mA = “masa del elemento giratorio” = masa biela =779g

MB = masa elemento desplazable = masa pistón = 730g

w = 5700 RadS

=190 π Rads

θ=angulo demaxima inerciaa tensión=371 °

r=Distanciacigüeñal= carrera2

=100mm2

=0.05m

L = longitud biela = 0.1735m

Faxial=√F ix2 +F iy

2=26520N

De los resultados se observa que las fuerzas de mayor magnitud en sentido axial a la biela son:

 Angulo

cigüeñal (°)Faxial (KN)

Compresión

22 27.8

Faxial

Fix

Fiy

Tracción 371 26.52

ANÁLISIS DE ESFUERZOS:

Los esfuerzos se analizaran sobre la sección media de la biela, para simplificar el problema se tomara como continua la sección transversal, las dimensiones de la sección trasversal se tomaron a la altura de la cabeza de la biela pues es la sección que menor área posee.

*Medidas en mm

En el análisis de esfuerzos no se van a considerar los concentradores.

Tomado de: Michael Ashby, Materials engineering, science, processing and desing, 2nd edition. Cap 10, pag 214

Para simplificar el problema solo se analizaran los esfuerzos axiales, de esta forma σ=Faxial

A. (Ver anexos)

 Área (m^2)

F axial Máxima (KN)

Esfuerzo (Mpa)

Compresión2.795x10-4 

27.8 99.3 

Tracción 26.52  95

ANÁLISIS DE FATIGA

La biela es un elemento mecánico sometido a compresión y tracción durante su funcionamiento, por tal motivo es un elemento que presenta fatiga, para analizar este fenómeno recurrimos a las siguientes ecuaciones:

σ a=σmax−σ min

2=95−(−99.3)

2=97.15MPa

σ m=σmax+σmin

2=95+(−99.3)

2=−2.15MPa

R=σ min

σ max

= 95−99.3

=−0.96 ≈−1

Debido a que el sigma medios es negativo no se tendrían herramientas para analizar fatiga, pero para simplificar el problema se aproximara a sigma medios a cero.

Factores de corrección:

Debido a las condiciones de operación es necesario aplicar los factores necesarios de corrección para aproximarnos a la realidad.

Factor de tamaño: Para carga axial no hay efecto de tamaño, por lo cual Kb=1 [7]

Factor de temperatura: para 250°C Kd=1.000 [7]

Vemos que ninguno de estos valores afectan la biela, pero hay otro factor como el de superficie que para hallarlo se requiere conocer el material primero, por tal motivo no lo vamos a considerar

CONDICIONES DE OPERACIÓN Y CONCIDERACIONES:

La biela pertenece al motor a gasolina de un Jeep Wrangler modelo 2000 de 4.0 litros con 6 cilindros en línea, su potencia es de 190hp a 4600RPM, con un torque de 319Nm a 3200RPM, posee inyección secuencial de combustible con 2 válvulas por cilindro, su relación de compresión es de 8.8:1 [3]

El análisis se realizara a 5700 RPM debido a que es la velocidad angular critica para la inercia de la biela[6].

La temperatura de operación aproximada del motor es de 190°C a 250°C[8]

La biela se usara en promedio 3 horas diarias durante 20años, lo cual nos arroja 21900 horas de operación, a un promedio de 3000RPM, tendremos que el número total de ciclos será de 4 x109

Dureza en Vickers entre 220HV - 250HV (Se dejo un margen de error debido a que la muestra de dureza que se tenía fue tomada en Brinell).

Fatigue strength at 10^7 cycles mínima de100MPa

SELECCIÓN DEL MATERIAL (PRECIO MINIMO):

Se necesita un material resistente a la fatiga y que su costo sea bajo, para seleccionarlo se parte de lo siguiente:

A=mρl

Donde A: área transversal biela (m2)

A≥Fσe

y m= CCm

Así M=( σ e

ρCm) pendiente = 1

Sin tener en cuenta el indice, el software nos arroja 199 resultados posibles, bajo las condiciones ya descritas anteriormente.

Usando como índice él ya calculado, ubicamos una recta con pendiente 1 y se sube un poco.

Vemos que quedan 88 materiales posibles.

Debido a que la biela es una parte importante del motor, y el motor juega un papel importante en el precio de un vehículo, se requiere un material lo menos costoso posible, pero que cumpla con las condiciones de trabajo requeridas, reduciendo el precio a un máximo de 1300 COP/Kg, se obtiene lo siguiente:

Nota: se trabajaron con los precios arrojados por el software CES edupack, estos varían dependiendo del lugar donde se quiera comprar.

Hay 38 materiales disponibles, se procede a subir más la recta.

Se observan 12 tipos de acero, los cuales están muy poco separados los unos de los otros, esto es un indicio de que todos ellos podrían suplir nuestra demanda.

A continuación se analizaran sus curvas S-N, con R = -1 (en escala lineal) para determinar con respecto a la

amplitud de esfuerzo (σ a=97.15MPa ) , cuales soportan 4x109 ciclos.

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 133MPa aproximadamente. Este material pasa la selección.

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 133MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 200MPa, aproximadamente, está un poco más del doble de nuestra amplitud, por tanto este materia clasifica.

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 171MPa. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 240MPa aproximadamente, está es más del doble de nuestra amplitud, por tanto este materia clasifica.

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 171MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 150MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 171MPa – 214MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 171MPa – 214MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 171MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 187 MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Para más de 108 ciclos no puede pasar de una amplitud de esfuerzo 187 MPa aproximadamente. Este material pasa la selección

Material Fatigue strength model (Mpa) Costo (COP/Kg)

Carbon steel, AISI 1040, tempered at 315°C & oil quenched 133 1230 - 1350Carbon steel, AISI 1040, tempered at 540°C & H2O quenched 133 1230 - 1350Carbon steel, AISI 1050, tempered at 425°C & oil quenched 200 1250 - 1380Carbon steel, AISI 1050, tempered at 540°C & oil quenched 171 1250 - 1380Carbon steel, AISI 1060, tempered at 540°C & oil quenched 240 1280 - 1400Carbon steel, AISI 1137, tempered at 425°C & oil quenched 171 1230 - 1350Carbon steel, AISI 1137, tempered at 540°C & H2O quenched 150 1231 - 1350Carbon steel, AISI 1141, tempered at 540°C & oil quenched 171 – 214 1240 - 1370Carbon steel, AISI 1144, tempered at 315°C & oil quenched 171– 214 1250 - 1370Carbon steel, AISI 1144, tempered at 425°C & oil quenched 171 1250 - 1370Carbon steel, AISI 1144, tempered at 540°C & oil quenched 187 1250 - 1370Carbon steel, AISI 1340, normalized 187 1260 - 1380

Los costos entre materiales no varían demasiado, por lo cual pasamos a seleccionar dependiendo de su Fatigue strength model, ya que este nos asegurara que el material soporte más de lo necesario en casos de sobre cargas del motor, mayor tiempo de uso o problemas mecánicos.

Comparando entre los dos materiales restantes (Verde), el más económico es el AISI 1050 y soportaría casi el doble de la amplitud normal del esfuerzo que se tiene normalmente, por esto es nuestro material de selección.

CARACTERIZACIÓN DEL MATERIAL DE LA BIELA.

Los primeros resultados obtenidos con información de material de la biela, son tres micrografías de la sección transversal de la biela y las durezas obtenidas durante una prueba Brinell.

Las micrografías muestran la formación de posible martensita lo que nos da una herramienta para pensar que se trata de un

acero aleado. Al observar las micrografías del material se puede ver con claridad que no se trata de una fundición ya que la morfología de la muestra no da evidencias de la formación de nódulos, hojuelas o estructuras que se caracterizan del proceso de fundición. Además a partir de estas se puede determinar que no se trata de un proceso de sinterizado debido a que la muestra no presenta porosidades (las manchas negras pueden estar relacionados con óxidos o con la sustancia utilizada en el ataque químico para determinar la composición del material).

Al visitar el laboratorio de microscopia se puede corroborar que la biela no ha sufrido un proceso de fundición y tampoco uno de sinterizado. A partir de esta visita se sospecha que la biela ha sido elaborada por un proceso de forja donde el material fue altamente deformado ya que no se observa una orientación preferencial del material ni líneas de deformación

Con la composición química del material se corrobora que se trata de un acero y además es una aleación mediana carbono debido a que nuestros elementos aleantes oscilan entre los0,30% a 0,60% de Carbono y 0,6% y 1,15% Manganeso, estos aleantes se utilizan para forja.[9] (Pag 256)

Se toma el ASM Metals handbook volumen 1 y se compara la composición química de nuestro material con la de las aleaciones de acero que se muestran en este libro.

Columna1 (C ) (Si) (Mn) (S) (P) (Ni) (Cr) (Mo) (Al) (Cu) (Pb) (Sn) (ti) (V) (Sb) (Ca) (Zn)

Material Biela 0.446 0.186 0.844 0.04 0.018 0.022 0.132 0.014 0.024 0.004 0 0.001 0.002 0

1040 0,37-0,44 0,60-0,90 0.05 0.041042 0,40-0,47 0,60-0,90 0.05 0.041043 0,40-0,47 0,70-1,00 0.05 0.041045 0,43-0,50 0,60-0,90 0.05 0.041046 0,43-0,50 0,70-1,00 0.05 0.041039 0.36,044 0,7-1,00 0.05 0.041040 0,37-0,44 0,7-1,01 0,08-,013 0.041050 0,48-0,55 0,15-0,45 0.60-0,90 0.05 0.044140 0,38-43 0,15-0,35 0,75-1,00 0.04 0.035 0,80-1,10 0,15-0,255046 0,43-0,48 0,15-0,35 0,75-1 0.04 0.035 0,20-0,351145 0,42-0,49 0,75-1,00 0,08-0,13 0.04

De la composición química de nuestro material se descartan los porcentajes de Níquel, Aluminio, Cobre, Plomo, Estaño, Titanio, Vanadio, Calcio y Zinc debido a que el porcentaje de estos aleantes son bajos. Además el handbook nos dice que los valores de cromo y molibdeno menores a 0,20% y 0,06% respectivamente generalmente en las tablas no se muestran [9] (Pag 56). Por otro lado el handbook nos dice que los otros elementos aleantes que existentes en el material de muestra pueden mejorar un poco el rendimiento del material. [9] (pag 378), por estas razones se preseleccionan unas serie de aleaciones y después de se procede a analizar las micro estructura de estos (Ver Anexos) de allí se descartan la mayoría de materiales dejando como candidatos a material de la biela el 1040 y 1050 pero de estos materiales el que más se acerca morfológicamente es el 1050 (Ver Anexos).

Una vez se selecciona el acero 1050 como el material de la biela se procede a observar la curva de templabilidad del material, en esta se pude observar que el material alrededor de una dureza de 20 Rockwell c (conversión de Brinell a Rockwell c) tiene una templabilidad total debido a lo pequeña es la sección de la biela. (Ver Anexos), es decir que cualquier parte de la pieza tendrá la misma dureza, podemos corroborar esto en el ensayo de durezas realizado.

Este es el diagrama TTT, para el revenido de un AISI 1050, se observa que para alcanzar una dureza próxima a 20 Rockwell C, se da después de entre2 y 9 segundos a una temperatura aproximada de 600°C, es importante aclarar que al convertir la dureza a otra escala, esto trae consigo errores por lo que no se tiene un resultado 100% preciso, para estos casos lo mejor es hacer las pruebas de dureza en esa escala y comparar los valores.

CONCLUSIONES

En la selección del material no aparecen los aceros típicos que se mencionan en el inicio AISI 4140, AISI 4340 y AISI 4330, estos se descartaron por sus costos (alrededor de 1600 COP/Kg) y por la restricción de dureza.

Las curvas N-S se analizaron con una configuración lineal para facilitar la ubicación de los valores para ciclos mayores a 108.

El material usado en la biela real, es diferente al presentado en la grafica 1 al inicio, ya que la construcción de esta depende del material disponible en el país o lugar donde se manufacture, al no tener certeza en que planta de Jeep donde se fabrico no podemos asegurar que todas la bielas sean construidas con el mismo material.

Las condiciones reales de una biela incluyen flexión, pero por facilidad de cálculos esta no fue considerada dentro del análisis.

La geometría de la biela presenta concentradores de esfuerzo, los cuales no se tuvieron en cuenta a la hora de realizar los cálculos de esfuerzos

No se realizo un análisis de pandeo ya que en estas estructuras no es usual que fallen por esto, debido a que soportan cargas mucho menores para soportar la fatiga, además su sección transversal en H, les otorga gran inercia aumentando su resistencia al pandeo.

En el momento de la compresión del pistón y posterior explosión, se ignoro la inercia de este con el motivo de simplificar los cálculos, es claro que a 5700RPM esta inercia seria mayor a lo esperado reduciendo la fuerza a compresión.

En la siguientes graficas podemos ver las condiciones críticas de operación de una biela, en las cuales se identifican que a bajas RPM lo que prima son los valores de la explosión y a medida que se aumentan las RPM la inercia crece jugando un papel importante en las fuerzas que actúan sobre el elemento.

BIBLIOGRAFIA

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[9] Atlas of microstructure of industrial alloys v7 ASM