Conteúdo: Virabrequim
- O que é virabrequim?
- Material e fabricação de virabrequins
- Diagrama do virabrequim
- Procedimento de projeto do virabrequim
- Deflexão do virabrequim
- Traçado da curva de deflexão do virabrequim
- Estudo de caso de falha no virabrequim marítimo
- Análise de falha do virabrequim Boxer Diesel: estudo de caso
- Análise de falha de fadiga do virabrequim: uma revisão
- Falha do virabrequim do motor diesel: um estudo de caso
O que é virabrequim?
Um virabrequim pode ser descrito como um componente usado para converter o movimento alternativo do pistão para o eixo em movimento rotatório ou vice-versa. Em palavras simples, é um eixo com uma fixação de manivela.
Um virabrequim típico é composto por três seções:
- A seção do eixo que gira dentro dos rolamentos principais.
- Os crankpins
- Os braços de manivela ou teias.
Isso é classificado em dois tipos de acordo com a posição da manivela:
- Virabrequim lateral
- Virabrequim central
O virabrequim pode ainda ser categorizado em virabrequins de movimento único e virabrequins de movimento múltiplo, dependendo do nº de manivelas no eixo. Um virabrequim que possui apenas uma manivela central ou uma manivela unilateral é denominado como um virabrequim de movimento único. Um virabrequim com 2 ou múltiplas manivelas centrais ou '2' manivelas laterais, '1' em cada extremidade é reconhecido como “virabrequins multi-lançamento”. A configuração da manivela lateral inclui simplicidade geométrica, são comparativamente simples de serem fabricados e montados. Eles podem ser usados com rolamentos deslizantes simples e são relativamente mais baratos do que o virabrequim central.
A configuração da manivela central fornece melhor estabilidade e equilíbrio de forças com menores tensões induzidas. Seu custo de fabricação é alto e um rolamento de biela bipartido é necessário para a montagem. Para aplicações que requerem múltiplos pistões trabalhando em fase, um virabrequim de múltiplos lances pode ser desenvolvido colocando vários centros de manivelas lado a lado, em uma seqüência especificada, ao longo de uma linha central comum de rotação. Os lances são indexados rotacionalmente para fornecer o faseamento desejado.
Os motores de combustão interna multicilindros, como o motor Inline e da série V, utilizam virabrequim multi-lance. Todos tipos de virabrequins Experimente forças dinâmicas geradas pelo centro de massa excêntrico rotativo em cada pino da manivela. Muitas vezes é necessário utilizar contrapesos e balanceamento dinâmico para minimizar forças de agitação, esforço de tração e pares oscilantes gerados por essas forças de inércia.
Material e fabricação de virabrequins:
O virabrequim freqüentemente sofre choques e fadiga a condição de carregamento. Assim, o material do virabrequim deve possuir mais tenacidade e melhor resistência à fadiga. Geralmente são produtos de aço carbono, certos materiais de aço ou ferro fundido. Para motores usados na indústria, os virabrequins são geralmente gerados de aço carbono, como 40-C-8, 55-C-8 e 60-C-4.
No motor de transporte, aço manganês ou seja, 20-Mn-2, 27-Mn-2 e 37-Mn-2 são comumente utilizados para preparar os eixos de manivela. Em motores aeronáuticos, aço níquel-cromo, como 35-Ni-1-Cr-60 e 40-Ni-2-Cr-1-Mo-28 são geralmente utilizados para fabricar o virabrequim.
Os eixos de manivela são geralmente acabados por forjamento ou processo de fundição. O endurecimento da superfície do pino de manivela é finalizado através do processo de cementação da carcaça, Nitretação ou processo de endurecimento por indução. Os materiais do virabrequim selecionados devem atender aos requisitos de resistência estrutural e aos requisitos de desgaste do local do rolamento.
Na aplicação típica de virabrequim, luvas macias e dúcteis são fixadas na biela ou na estrutura, de modo que o material do virabrequim deve ter a capacidade de fornecer uma superfície rígida nos locais dos rolamentos. Muitos materiais podem atender aos requisitos de resistência estrutural, mas fornecer resistência ao desgaste nos locais dos rolamentos restringe a lista de candidatos aceitáveis.
Por causa da geometria assimétrica, muitos virabrequins foram fabricados fundindo ou forjando uma “peça bruta”, para serem usinados posteriormente. Soldagens incorporadas são usadas em algumas aplicações. Tradicionalmente, ferro fundido, aço fundido e aço forjado têm sido usados para eixos de manivela. O uso de superfícies de rolamento endurecidas e cementadas seletivamente também é diário.
Procedimento de projeto do virabrequim
O procedimento subsequente deve ser seguido para o projeto.
- Calcule a magnitude das diferentes cargas que atuam no virabrequim.
- De acordo com as cargas, calcule a distância entre as estruturas de suporte e posições.
- Para um projeto simples e seguro, o eixo deve ser apoiado no centro dos rolamentos e todas as forças e reações devem atuar nesses pontos. A distância entre os apoios está sujeita ao comprimento do mancal, que geralmente depende do diâmetro do eixo a partir das pressões toleráveis do mancal.
- Espera-se que a espessura das almas seja de 0.4ds a 0.6ds, sempre que “ds” for o diâmetro do eixo. Geralmente é considerado como 0.22 * D a 0.32 * D, onde D é o diâmetro do furo do cilindro em mm.
- Avalie aqui e agora a distância entre as estruturas de suporte.
- Presumindo as tensões de flexão e cisalhamento aceitáveis para o material do eixo da manivela, encontre a dimensão do virabrequim.
Deflexão do virabrequim
O virabrequim consiste nos segmentos do eixo principal, individualmente reforçados pelo rolamento principal, e em vários eixos de alma nos quais a biela do pistão específica irá girar. A manivela de lançamento que é os pinos da manivela e os braços de conexão deve ser quadrada, sem deflexão. Se não for este o caso, pode ocorrer um desgaste anormal dos rolamentos principais. Um medidor com mostrador detecta o desalinhamento do eixo da manivela entre os braços da manivela. É o desgaste desigual que ocorre entre os diversos segmentos do eixo central do virabrequim.
Gráfico de curva de deflexão de virabrequins
- A partir da linha de centro do eixo da manivela, uma linha reta é desenhada paralelamente a ela e, em seguida, linhas perpendiculares de cada unidade são traçadas em direção a essa linha paralela.
- Depois de tomar a deflexão do eixo da manivela de cada unidade, os valores derivados são anotados acima de cada unidade da alma da manivela no gráfico acima.
- Trace a distância -5.0 mm, que é a primeira leitura de deflexão, para baixo (para valor negativo e para cima para valor positivo) a partir da linha de referência na linha central da unidade e tenha a linha "ab" que está em um ângulo proporcional a a deflexão em 'a'.
- Esta linha é estendida para cruzar a linha central da próxima unidade. A etapa subsequente é calcular a deflexão deste ponto de junta e unir o ponto do ponto anterior, que aumentará para a linha “bc”. As etapas devem ser repetidas novamente até a conclusão.
- Trace uma curva suave entre esses pontos e compare a posição dessa curva em relação à linha de base XY. No gráfico acima, a curva desenhada a partir das leituras das unidades 1 e 2 está muito longe da linha de base em comparação com o resto da curva e, portanto, precisa de atenção.
Estudo de caso de falha do virabrequim marítimo
O estudo de caso feito é sobre a trágica falha de um virabrequim de teia marítima. O eixo da manivela está sujeito a altas flexões e torções, e seu efeito combinado na falha do eixo da manivela é analisado. A observação microscópica sugeriu que a iniciação da trinca começou no filete do crankpin devido à flexão rotativa, e a propagação foi uma combinação de flexão cíclica e torção constante. O número de ciclos desde o início da rachadura até a falha final do eixo da manivela foi encontrado por leituras da operação do motor principal a bordo. Os benchmarks deixados na superfície da trinca por fadiga são levados em consideração.
Usando a mecânica da fratura elástica linear, os ciclos calculados demonstraram que a propagação foi rápida. Também mostra que o nível de tensão de flexão foi bastante alto em comparação com os ciclos totais do motor principal em serviço. Não foram observados defeitos microestruturais ou inclusões; portanto, indica que a falha ocorreu por causa externa e não por defeito intrínseco interno.
O material do eixo da manivela tinha configuração (42CrMo4 + Ni + V) (composição química,%: C = 0.39; Si = 0.27; Mn = 0.79; P = 0.015; S = 014; Cr = 1.14; Mo = 0.21; Ni = 0.45; V = 0.10). O eixo da manivela do motor principal foi danificado. O crank-web não. 4 quebrou. O material próximo à região de iniciação da trinca foi analisado e apresentou microestrutura bainítica. O material tinha dureza vickers285.
A fadiga parece estar em duas superfícies diferentes, uma vertical em relação ao eixo da manivela e a outra no plano horizontal com o eixo da manivela com zonas de transição entre os dois planos. Assim, a trágica falha do eixo da manivela marítima acima foi por fadiga e uma combinação com a rotação-flexão com a torção constante. A pesquisa, observação e desenvolvimento de novos virabrequins estão em andamento para evitar esse tipo de falha.
Referência:
Fonte MA, Freitas MM. Análise de falha do eixo de manivela do motor marítimo principal: Um estudo de caso, Análise de Falha de Engenharia 16 (2009) 1940–1947
Análise de falha do virabrequim Boxer Diesel: estudo de caso
O relatório é sobre a análise do modo de falha do eixo da manivela do motor diesel boxer. O eixo da manivela é o componente que experimenta um carregamento dinâmico complexo mais alto devido à flexão rotativa complementada com torção e flexão no pino de manivela. Os eixos da manivela estão sujeitos a cargas multiaxiais. Tensão de flexão e tensão de cisalhamento devido à torção e carga de torção por causa das transmissões de força. Os eixos da manivela são fabricados em aço forjado, ferro fundido nodular e ferro dúctil temperado Aus.
Eles devem possuir resistência adequada, tenacidade, dureza e alta resistência à fadiga. Eles devem ser fáceis de usinar e tratar termicamente e moldados. O tratamento térmico aumenta a resistência ao desgaste; assim, todos os eixos de manivela a diesel são tratados termicamente. Eles têm superfície endurecida para aumentar a resistência à fadiga. Tensões de alto nível são observadas em zonas críticas, como filetes de teia e os efeitos da força centrífuga devido à transmissão de energia e vibrações. A fratura por fadiga perto da região do filete da teia é a principal causa de falha do eixo da manivela desde a geração da trinca, e a propagação ocorre através desta zona.
As especificações do virabrequim de um motor de caixa são: deslocamento = 2000 cu. cm, diâmetro do cilindro = 100 mm, potência máxima = 150 HP, torque máximo = 350 Nm. Foi observado que após 95,000 km em serviço, ocorre a falha do eixo de manivela. Falha por fadiga ocorreu em quase 2000 motores fabricados. Após a análise, observou-se que a fraqueza de duas carcaças de aço centrais e o escoamento das pontes da placa base devido a rachaduras foram os principais responsáveis pela falha do eixo de manivela.
A amplitude de curvatura do eixo da manivela aumenta com a fraqueza das conchas de aço rachado e as pontes da placa de apoio, que estão abaixo delas. Certamente não havia evidências de defeitos materiais ou desalinhamento dos rolamentos do munhão principal. A falha devastadora do eixo da manivela foi devido ao projeto defeituoso das conchas de suporte de aço e das pontes da placa de apoio. O design aprimorado do fabricante resolverá esse problema.
Referência:
M. Fonte et al., Análise de falha do virabrequim de um motor a diesel boxer, Engineering Failure Analysis 56 (2015) 109-115.
Análise de falha de fadiga do virabrequim: uma revisão
Neste artigo, a causa raiz da fratura do eixo da manivela do compressor de ar está sendo analisada usando vários métodos e parâmetros como composição química, propriedade mecânica, macroscópica, características microscópicas e cálculos teóricos. Este trabalho também tem como objetivo melhorar o projeto, a resistência à fadiga e a confiabilidade de trabalho do virabrequim. O eixo de manivela usado neste estudo é de aço 42CrMo que é forjado, tratado termicamente e nitrado para aumentar a resistência à fadiga do eixo de manivela. O procedimento de análise para a causa da fratura da haste da manivela é realizado em três partes:
- Análise experimental do eixo de manivela
- Características macroscópicas e análise microestrutural
- Cálculos teóricos
A análise do elemento químico está sendo feita para determinar com precisão a composição química do material do virabrequim e verificar se eles estão abaixo dos valores padrão permitidos. Isso é feito com a ajuda de um espectrômetro. As superfícies fraturadas são classificadas em três regiões: (1) região de iniciação da trinca de fadiga, (2) região de expansão de fadiga e (3) região de fratura estática.
Durante a análise, descobriu-se que a taxa de crescimento de trincas por fadiga é alta devido à alta flexão. O desalinhamento dos munhões principais e o pequeno filete em relação ao furo de lubrificação são as principais causas de alta flexão. A trinca por fadiga foi iniciada na borda do furo de lubrificação e, portanto, levou à fratura. As marcas de praia produzidas devido a pequenas sobrecargas decorrentes da partida e parada do compressor não eram visíveis. Num determinado ciclo rotativo após um período de trabalho padrão, microfissuras devido a alta tensão de flexão concentração apareceu no filete do furo de lubrificação. No entanto, o virabrequim ainda pode estar próximo da condição normal de funcionamento.
Conforme o tempo de operação foi aumentando, a flutuação também aumentou, fazendo com que as rachaduras se propagassem para a região de fratura estática, levando à falha completa. A observação microscópica da superfície de fratura medida utilizando Microscopia Eletrônica de Varredura (MEV), que mostrou que a rachadura na borda do orifício de lubrificação foi a razão para fraturar o eixo da manivela. De acordo com o cálculo teórico, obtém-se a curva de segurança para o furo de lubrificação e região do filete, que auxilia na identificação das seções mais fracas.
Ao melhorar a qualidade da superfície e reduzir a rugosidade da superfície, a confiabilidade do virabrequim pode ser aumentada. O alinhamento adequado dos munhões principais reduzirá a tensão de flexão induzida e aumentará a vida útil de fadiga do eixo de manivela.
Referência:
W.Li et al., Analysis of Crankshaft fadigue failure, Engineering Failure Analysis 55 (2015) 139–147.
Falha do virabrequim do motor diesel: um estudo de caso
Neste artigo, a análise de falha, análise modal e análise de tensão do virabrequim de um motor diesel é conduzida. Para avaliar a fratura do material do virabrequim, foram feitas inspeção visual e investigação. O motor usado foi o S-4003, e seu eixo da manivela rompeu perto do pino de manivela quatro após 5500 horas de operação. O virabrequim quebrou após cerca de 30h a 700h de operação do motor. A análise adicional mostrou a presença de microfissuras perto do segundo pino de manivela e do segundo munhão. O estudo mostrou que a principal razão por trás da falha foi um processo de retificação com defeito.
Para posterior análise experimental, a amostra foi cortada da parte danificada. A análise de elementos finitos não linear foi usada para identificar as razões para a falha abrupta do virabrequim. A análise foi realizada para determinar as tensões induzidas no eixo devido às condições de carregamento cíclico quando o motor funciona na potência máxima.
A análise numérica é usada para encontrar a relação entre a biela e o virabrequim, aplicando condições de contorno complexas. Para a determinação dos modos e frequência de vibração livre, foi realizada a análise modal numérica do virabrequim.
Após a análise, observou-se que o valor da tensão no filete do virabrequim nº 4 era cerca de 6% da tensão de escoamento do material do virabrequim. A análise modal deu como resultado que durante o segundo modo de vibração livre, a área de alta tensão foi encontrada na área onde ocorreu a geração de fissuras (zona crítica).
Em observação posterior, foi descoberto que a falha do virabrequim ocorria por vibração ressonante gerada devido a massas desequilibradas no eixo, que induziam condições de alta tensão cíclica, fazendo com que diminuísse a vida útil do virabrequim.
Referência:
Lucjan Witek et al., Investigação de falha de um virabrequim de motor diesel, Procedia Structural Integrity 5 (2017) 369-376
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Sou Hakimuddin Bawangaonwala, engenheiro de projeto mecânico com experiência em projeto e desenvolvimento mecânico. Concluí M. Tech em Engenharia de Design e tenho 2.5 anos de experiência em pesquisa. Até agora foram publicados dois artigos de pesquisa sobre torneamento duro e análise de elementos finitos de acessórios de tratamento térmico. Minha área de interesse é projeto de máquinas, resistência de materiais, transferência de calor, engenharia térmica, etc. Proficiente em software CATIA e ANSYS para CAD e CAE. Além de Pesquisa.
