UNIVERSIDAD TECNOLÓGICA EQUINOCCIAL
FACULTAD DE CIENCIAS DE LA INGENIERÍA E
INDUSTRIAS
CARRERA DE INGENIERÍA AUTOMOTRIZ
ANÁLISIS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA
CONSTRUCCIÓN DE UN CIGÜEÑAL DE UN VEHÍCULO
CHINO MARCA SAIC WULING MODELO MINI VAN
PASAJEROS 1000CC MEDIANTE ENSAYOS DESTRUCTIVOS
Y NO DESTRUCTIVOS
TRABAJO PREVIO A LA OBTENCIÓN DEL TÍTULO
DE INGENIERO AUTOMOTRIZ
HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMÍREZ
DIRECTOR: MSC. LENÍN OMAR VALENCIA MÉNDEZ
© Universidad Tecnológica Equinoccial. 2016
FORMULARIO DE REGISTRO BIBLIOGRÁFICO
PROYECTO DE TITULACIÓN
DATOS DE CONTACTO CÉDULA DE
IDENTIDAD: 172452804-5 APELLIDOS Y
NOMBRES: VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO
DIRECCIÓN: SAN CARLOS (PEDRO DE ALVARADO N57 75 Y FERNANDEZ
SALVADOR, BLOQUE HUMABI DEP. 102)
EMAIL: [email protected]
TELÉFONO FIJO: 2596922
TELÉFONO
MOVIL: 0983087331
DATOS DE LA OBRA
TITULO:
ANÁLISIS DE LOS MATERIALES UTILIZADOS EN LA CONSTRUCCIÓN DE UN CIGÜEÑAL DE UN VEHÍCULO CHINO MARCA SAIC WULING MODELO MINI VAN PASAJEROS 1000CC MEDIANTE ENSAYOS DESTRUCTIVOS Y NO DESTRUCTIVOS
AUTOR O AUTORES: VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO
FECHA DE ENTREGA DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
2016-09-12
DIRECTOR DEL PROYECTO DE TITULACIÓN:
MSC. LENÍN OMAR VALENCIA MÉNDEZ
PROGRAMA PREGRADO POSGRADO TITULO POR EL QUE
OPTA: INGENIERO AUTOMOTRIZ
RESUMEN: Mínimo 250 palabras
Se realizó el análisis de los materiales utilizados en la construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca Saic
Wuling modelo mini van pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos, se utilizó los laboratorios de Metalurgia Extractiva, Metalografía, desgaste y falla, Análisis de Esfuerzos Y vibraciones, y el taller de Mecanizado de la Facultad de Ingeniería Mecánica de la Escuela Politécnica Nacional por medio de probetas normalizadas internacionalmente bajo la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés. Se determinó el tipo de acero del cual está construido el cigüeñal con la caracterización teórica y experimental de las principales propiedades mecánicas.
Se llevó a cabo el análisis químico por espectrometría de chispa, el análisis metalográfico bajo el estándar ASTM A407-07, el ensayo de dureza Rockwell en la escala C bajo el estándar ASTM E13-16, dureza Brinell teórica bajo el estándar ASTM E10-15ª, dureza Vickers teórica bajo el estándar ASTM E92-16 que fueron confirmadas como verdaderas con el estándar SAE J417 para aceros de la industria automotriz, se desarrollaron los ensayos mecánicos destructivos de tracción o tensión bajo el estándar ASTM E8 del cual se construyó la curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril para verificar las propiedades mecánicas existentes en la zona elástica y plástica del material antes, durante y después del ensayo mecánico, se realizó el ensayo de impacto o método Charpy bajo el estándar ASTM E23 08 aɛ1.
Se elaboró una paridad en base a los resultados de la prueba de composición química, al ensayo metalográfico, ensayo de tracción y mapeo de durezas del cual se determinó que el material del objeto base de la investigación se trata de un acero de alto contenido de carbono que pertenece al estándar ASTM A29 en los grados 1055, 1059, 1060, 1064, 1065.
PALABRAS CLAVES:
Cigüeñal Acero
Ensayos no destructivos Metalografía
Tracción Charpy
ABSTRACT:
Is has made the analysis of them materials used in the construction of a crankshaft of a vehicle Chinese brand Saic Wuling model minivan passengers 1000cc through trials destructive and not destructive, is used them laboratories of metallurgy extractive, metallography, wear and failure, analysis of efforts and vibrations, and the workshop of machining of the Faculty of engineering mechanical of the Escuela Politecnica National by means of specimens standard internationally low it society American for tests and materials (ASTM) for its acronym in English. Determined the type of steel which is built the crankshaft with the theoretical and experimental characterization of the main mechanical properties.
Was conducted chemical analysis by mass spectrometry of spark, the metallographic analysis under the standard ASTM A407-07, the Rockwell scale hardness test C under standard ASTM E13-16, theoretical standard Brinell hardness ASTM E10-15th, Vickers hardness theoretical standard ASTM E92-16 were confirmed as true with the standard SAE J417 for automotive steels , developed the destructive mechanical testing of traction or tension under the standard ASTM E8 which was built the effort curve vs deformation engineering to verify the mechanical properties in the elastic and plastic zone of material before, during and after the mechanical test, was the trial's impact or Charpy method under the standard ASTM E23 08 aɛ1.
Was a parity based on the test results of chemical composition, essay metallographic, tensile testing and mapping of hardness which determined that the material of the object the research base is a steel of high carbon content that belongs to the standard ASTM A29 in 1055, 1059, 1060 and 1064 grades 1065.
KEYWORDS Crankshaft
Steel
Non Destructive Testing Metallography
Chemical Compositión Tractión
Charpy
Se autoriza la publicación de este Proyecto de Titulación en el Repositorio
Digital de la Institución.
f:
DECLARACIÓN Y AUTORIZACIÓN
Yo VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO CI: 1724528045 autor del
proyecto titulado: Análisis de los materiales utilizados en la construcción
de un cigüeñal de un vehículo chino marca Saic Wuling modelo mini van
pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos,
previo a la obtención del título de INGENIERO AUTOMOTRIZ declaro que el
trabajo aquí descrito es de mi autoría;
1. Declaro tener pleno conocimiento de la obligación que tienen las
Instituciones de Educación Superior, de conformidad con el Artículo 144 de la
Ley Orgánica de Educación Superior, de entregar a la SENESCYT en formato
digital una copia del referido trabajo de graduación para que sea integrado al
Sistema Nacional de información de la Educación Superior del Ecuador para
su difusión pública respetando los derechos de autor.
2. Autorizo a la BIBLIOTECA de la Universidad Tecnológica Equinoccial
a tener una copia del referido trabajo de graduación con el propósito de
generar un Repositorio que democratice la información, respetando las
políticas de propiedad intelectual vigentes.
Quito, 12 de septiembre del 2016
f:
HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMIREZ
DECLARACIÓN
Yo VALENCIA RAMÍREZ HERNÁN DARÍO, declaro que el trabajo aquí
descrito es de mi autoría; que no ha sido previamente presentado para ningún
grado o calificación profesional; y, que he consultado las referencias
bibliográficas que se incluyen en este documento.
La Universidad Tecnológica Equinoccial puede hacer uso de los derechos
correspondientes a este trabajo, según lo establecido por la Ley de Propiedad
Intelectual, por su Reglamento y por la normativa institucional vigente.
HERNÁN DARÍO VALENCIA RAMÍREZ
CERTIFICACIÓN
Certifico que el presente trabajo que lleva por título “Análisis de los
materiales utilizados en la construcción de un cigüeñal de un vehículo
chino marca SAIC Wuling modelo Mini Van Pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos”, que, para aspirar al título de
Ingeniero Automotriz fue desarrollado por Hernán Darío Valencia
Ramirez, bajo mi dirección y supervisión, en la Facultad de Ciencias de la
Ingeniería e Industrias; y cumple con las condiciones requeridas por el
reglamento de Trabajos de Titulación artículos 19,27 y 28.
Msc. Lenin Omar Valencia Méndez
DIRECTOR DEL TRABAJO
DEDICATORIA
Al pensar en dedicatoria lo único que se me viene a la mente son mis padres,
por ellos es que he llegado tan lejos y he logrado esto ellos son todo para mi
vida, por y para ellos va dedicado esto, por cumplir una meta, un objetivo, un
sueño, para ustedes amados Marcia Ramírez y Luis Valencia.
A mi hermosa madre por su amor, abnegación y apoyo incondicional por estar
a mi lado siempre, pese a los malos momentos que tuve que superar, siempre
has estado ahí para mí para darme ánimo cuando no podía más, cuando
estuve a punto de rendirme tú ejemplo siempre me dio la fortaleza para llegar
hasta este objetivo.
A mi padre que es mi mayor ejemplo de trabajo, entrega y superación porque
nunca faltó nada en la casa, siempre me inculcó a mí y a mi hermano lo
importante que es ser un buen hombre y en especial un buen hijo, siempre
recordare lo duro que trabajaste para poder sacar mi carrera adelante, valoro
inmensamente cada sacrificio económico que hiciste por mí, hoy gracias a eso
soy Ingeniero querido papá.
A mi querida familia que cuando más lo necesite me supieron brindar el apoyo,
moral, económico, sin ustedes no hubiese podido culminar mi carrera.
A todas las personas que se han visto involucradas en la culminación de este
objetivo, a mis profesores de la Universidad Tecnológica Equinoccial en la
facultad de Ciencias de la Ingeniería e Industrias, a mis amigos y compañeros
AGRADECIMIENTOS
A Dios por concederme la vida, por regalarme a los mejores padres del
mundo, por bendecirme con las personas que me rodean, y en especial por
haber hecho de mí una buena persona.
A mis padres por su apoyo incondicional, porque siempre estuvieron a mi lado
brindándome todo lo que necesite para poder cumplir con este ¡nuestro sueño!
A mi hermano Gabriel Valencia por todo su cariño y por motivarme a terminar
este trabajo, la presión de ser tu ejemplo me dio más fuerzas para terminar mi
carrera, sé que también serás un gran profesional querido hermano.
A Mireya Porozo porque desde hace tres años se convirtió en mi
complemento, apoyo, y fortaleza es quien a diario me brindado su ayuda que
junto con emotivas palabras ha hecho de mí una mejor persona, estudiante, e
hijo, este logro es el primer paso para lograr todo lo que soñamos.
A mis angelitos de cuatro patas Rex y Sashita, por estar conmigo en cada
desvelo mostrándome su amor incondicional.
Un agradecimiento especial para: Ing. Patricia Proaño especialista del
laboratorio de metalurgia de la (EPN), al director de mi tesis Msc. Lenin
Valencia por su tiempo y dedicación prestada, al Msc Armando Revelo por su
apoyo durante mis pasantías en el taller de Ingeniería Automotriz, a los
señores, Msc. Carlos Rosales y Msc Juan Carlos Lucero, por su colaboración
y asesoría durante la elaboración del trabajo de grado, al Msc. Edwin Tamayo
por sus incesantes consejos no solo académicos sino también personales, y
al Msc. Alexander Peralvo que confío en mi para poder realizar mis pasantías
en el taller de la universidad durante mi ciclo como estudiante, un grupo no
solo de excelentes profesionales sino de mejores personas y seres humanos
i
ÍNDICE DE CONTENIDOS
PÁGINA
RESUMEN xv
ABSTRACT xvii
1. INTRODUCCIÓN 1
2. MARCO TEÓRICO 4
2.1. EL MOTOR 4
2.1.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS 6
2.1.1.1. Elementos fijos 6
2.1.1.2. Elementos móviles 8
2.2. EL CIGÜEÑAL 9
2.2.1. CRITERIOS DE DISEÑO 10
2.2.1.1. Rigidez 10
2.2.1.2. Dureza 10
2.2.1.3. Elasticidad 11
2.2.1.4. Resistencia a la fatiga 11
2.2.1.5. Resistencia a la rotura 11
2.2.1.6. Esfuerzos Principales 11
2.2.1.7. Equilibrio del cigüeñal 14
2.3. MATERIALES 16
2.3.1. CIGÜEÑALES MONOLÍTICOS 17
2.3.2. CIGÜEÑALES ENSAMBLADOS 18
2.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN 19
2.5. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS 20
ii
2.5.2. APOYOS 21
2.5.3. MUÑEQUILLAS 21
2.5.4. EL BRAZO O MANIVELA 21
2.5.5. COJINETES DE APOYO 22
2.5.6. COJINETES AXIALES 22
2.6. TIPOS DE CIGÜEÑAL 23
2.6.1. EL CIGÜEÑAL MONOLÍTICO 23
2.6.2. EL CIGÜEÑAL ENSAMBLADO 24
2.7. EL ACERO 25
2.7.1. IDENTIFICACIÓN DE LOS ACEROS 25
2.7.1.1. Sistemas Numéricos 25
2.7.1.2. Código de color 27
2.7.1.3. Prueba de la chispa 28
2.7.2. PROPIEDADES GENERALES DE LOS ACEROS 28
2.7.2.1. Propiedades físicas 28
2.7.2.2. Propiedades químicas 30
2.7.2.3. Propiedades mecánicas 31
2.7.3. DIAGRAMA HIERRO-CARBONO 34
2.7.4. CLASIFICACIÓN DE LOS ACEROS 36
2.7.4.1. Aceros al carbón 36
2.7.4.2. Aceros Aleados 36
2.7.4.3. Aceros inoxidables 37
2.7.4.4. Aceros estructurales y para herramientas 39
2.7.4.5. Aceros de Alto límite elástico (HSS) 39
2.7.5. TRATAMIENTOS TÉRMICOS DE LOS ACEROS 40
2.8. ENSAYO DE MATERIALES 42
2.8.1. ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS 42
2.8.1.1. Ensayo de dureza 43
2.8.2. ENSAYOS DESTRUCTIVOS 48
2.8.2.1. Ensayo por tracción 49
2.8.2.2. Ensayo de fatiga 55
iii
2.8.2.4. Ensayo de flexión o plegado 59
2.8.2.5. Ensayo de torsión 60
2.8.2.6. Ensayo de impacto o resiliencia 61
2.8.3. PRUEBA METALOGRÁFICA 65
2.8.4. ANÁLISIS DE COMPOSICIÓN QUÍMICA 65
2.9. ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD EN LA MEDICIÓN 66
3. METODOLOGÍA 68
4. RESULTADOS Y DISCUSIÓN 79
4.1. DISEÑO DEL PROCESO EXPERIMENTAL 79
4.1.1. MODELO OPERATIVO DE LA INVESTIGACIÓN 79
4.2. DESARROLLO DEL PROCESO EXPERIMENTAL 79
4.2.1. ELECCIÓN PREELIMINAR DE LA MARCA DEL VEHÍCULO
BASE DE LA INVESTIGACIÓN 80
4.2.2. DETERMINACIÓN DEL ELEMENTO PARA EL ANÁLISIS 83
4.2.3. ADQUISICIÓN DEL MATERIAL A PRUEBA 84
4.2.4. EXTRACCIÓN DE LAS PROBETAS 86
4.2.4.1. Probetas para el análisis químico 86
4.2.4.2. Probetas metalográficas 87
4.2.4.3. Probetas para el ensayo de dureza 95
4.2.4.4. Probetas para el ensayo de tracción 95
4.2.4.5. Probetas para el ensayo Charpy 101
4.3. RESULTADOS DE LOS ENSAYOS REALIZADOS 105
4.3.1. COMPOSICIÓN QUÍMICA 105
4.3.1.1. Equipo utilizado 105
4.3.1.2. Resultados obtenidos 106
4.3.2. METALOGRAFÍA 108
4.3.2.1. Procedimiento previo al análisis metalográfico 108
4.3.2.2. Equipos utilizados 110
iv
4.3.3. ENSAYO DE DUREZA 115
4.3.3.1. Procedimiento del ensayo de dureza Rockwell C 115
4.3.3.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 117
4.3.3.3. Cálculos de dureza 118
4.3.3.4. Resultados y discusión 121
4.3.4. ENSAYO DE TRACCIÓN 123
4.3.4.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo 123
4.3.4.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 125
4.3.4.3. Cálculos realizados 126
4.3.4.4. Diagrama real Esfuerzo vs Deformación ingenieril 139
4.3.4.5. Análisis del acero de construcción del material base
de la investigación 144
4.3.4.6. Análisis de la fractura 149
4.3.5. ENSAYO CHARPY 152
4.3.5.1. Procedimiento para la elaboración del ensayo Charpy 152
4.3.5.2. Equipos / Maquinas Utilizadas 154
4.3.5.3. Cálculos realizados 154
4.3.5.4. Análisis de fractura 161
4.3.6. ANÁLISIS DE ERROR Y REPRODUCTIBILIDAD 163
4.3.6.1. Error para el ensayo de dureza Rockwell C 163
4.3.6.2. Error para el ensayo de tracción 164
4.3.6.3. Error para el ensayo de impacto o Charpy 168
5. CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES 172
5.1. CONCLUSIONES 172
5.2. RECOMENDACIONES 174
NOMENCLATURA O GLOSARIO 175
v
vi
ÍNDICE DE TABLAS
PÁGINA
Tabla 1. Clasificación de los motores térmicos 5
Tabla 2. Tipos de aceros utilizados para la construcción de cigüeñales 16
Tabla 3 . Composiciones químicas de los materiales del cigüeñal (%)
(Monolítico) 18
Tabla 4. Tipos de aceros utilizados para la construcción de
los cigüeñales ensamblados 19
Tabla 5.Tipos de cigüeñales monolíticos 24
Tabla 6. Clasificación de los materiales metalúrgicos,
según el Sistema Numérico 26
Tabla 7. Sistema numérico para la identificación de Aceros 27
Tabla 8. Coeficientes de las propiedades físicas de los metales 30
Tabla 9. Fases del diagrama Hierro-Carbono 35
Tabla 10. Clasificación de los aceros al carbóno 36
Tabla 11. Aceros aleados y sus características 37
Tabla 12. Clasificación de los aceros inoxidables 38
Tabla 13. Aceros estructurales y para herramientas 39
Tabla 14. Aceros de Alto límite elástico (HSS) 40
Tabla 15. Tratamientos térmicos en el acero 41
Tabla 16. Ensayos no destructivos 43
Tabla 17. Especificaciones del ensayo Rockwell de dureza 45
Tabla 18. Parámetros para le ensayo de dureza Brinell 46
Tabla 19. Dureza Brinell para aceros al carbono tratados térmicamente 47
Tabla 20. Puntos de porcentaje, distribución Student (extracto) 67
Tabla 21. Mayores productores y vendedores de
automotores del mundo (2015) 80
Tabla 22. Importación de vehículos por país
vii Tabla 23. Resumen de la industria Automotriz en el
Ecuador de los últimos seis años en unidades 81
Tabla 24. Ventas de vehículos de todas las marcas en el Ecuador 82
Tabla 25. Ficha técnica Furgoneta Saic Wuling Modelo
Mini Van súper 6376 de 1000cc 85
Tabla 26. Especificaciones técnicas del cigüeñal base
de la investigación 86
Tabla 27. Cortadora de disco 89
Tabla 28. Desbastadora de disco (desbaste grueso) 90
Tabla 29. Banco de pulido 92
Tabla 30. Pulidora de paño (pulido grueso y fino) 93
Tabla 31. Sierra mecánica 97
Tabla 32. Torno horizontal 100
Tabla 33. Rectificadora de superficies planas 103
Tabla 34. Limadora mecánica 104
Tabla 35. Espectrómetro de chispa 105
Tabla 36. Composición química del cigüeñal Saic Wuling 106
Tabla 37. Microscopio Metalúrgico 110
Tabla 38. Análisis metalográfico del contrapeso y del muñón 111
Tabla 39. Durómetro 117
Tabla 40. Durezas obtenidas teóricamente 121
Tabla 41. Valores de dureza obtenidos experimentalmente
en el Laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla 122
Tabla 42. Máquina universal para ensayos mecánicos 125
Tabla 43. Resultados del ensayo de tracción 132
Tabla 44. Propiedades básicas de los aceros ASTM A29,
grados 1050-1065 145
Tabla 45. Estándar ASTM/SAE 1064 149
Tabla 46. Microscopio para análisis macrográfico 150
Tabla 47. Máquina universal para ensayos de impacto 154
viii Tabla 49. Error y reproductibilidad para el ensayo de dureza
Rockwell C 164
Tabla 50. Promedios reales para la resistencia máxima a
la tracción 165
Tabla 51. Promedios reales para el porcentaje de elongación 166
Tabla 52. Error y reproductibilidad para la resistencia
máxima a la tracción 167
Tabla 53. Error y reproductibilidad para el porcentaje de elongación 168
Tabla 54. Promedios reales para la energía de
impacto 169
ix
ÍNDICE DE FIGURAS
PÁGINA
Figura 1. Motor de combustión interna alternativo de ciclo Otto 4
Figura 2. Elementos fijos y móviles del motor de combustión interna 9
Figura 3. El cigüeñal 10
Figura 4. Esfuerzo de torsión 12
Figura 5. Esfuerzo de Flexión (a) de tres puntos,
(b) de cuatro puntos 13
Figura 6. Esfuerzo de tracción en el cigüeñal 14
Figura 7. Esfuerzo de Compresión 14
Figura 8. Mecanizado del cigüeñal 20
Figura 9. Componentes del cigüeñal 20
Figura 10. Cigüeñal monolítico (forjado) para un motor
de cuatro tiempos 23
Figura 11. Cigüeñal ensamblado 24
Figura 12. Código de colores en la identificación de aceros 27
Figura 13. Gráfica del comportamiento del acero y sus propiedades
mecánicas 31
Figura 14. Diagrama de fase hierro-carburo de hierro 34
Figura 15. Durómetro digital universal DUD-500 44
Figura 16. Esquema del montaje de la probeta en la
máquina universal para el ensayo de tracción 49
Figura 17. Dimensiones de la probeta de superficie plana
para el ensayo de tracción 50
Figura 18. Fáses del ensayo de tracción 51
Figura 19. Curva Esfuerzo-Deformacion típica para aceros 52
Figura 20. Probeta plana para el ensayo de fatiga
bajo el estándar ASTM E 466 56
Figura 21. Esquema del ensayo de fatiga por viga voladiza rotativa 57
Figura 22. Cuerva S-N característica para dos metales 57
x
Figura 24. Gráfico del ensayo de compresión 59
Figura 25. Esquema del ensayo de flexión de tres puntos 60
Figura 26. Ensayo de torsión realizado en un eje de transmisión 60
Figura 27. Esquema del ensayo de impacto Charpy 61
Figura 28. Dimensiones de la probeta para el ensayo Charpy 62
Figura 29. Furgoneta Saic Wuling Modelo mini van 1000cc 84
Figura 30. Desmontaje del cigüeñal (A) bloque motor (vista frontal), 85
Figura 31. Cuantificación dimensional de cigüeñal por
medio de un micrómetro de exteriores de 50-75 mm 86
Figura 32. Delimitación de zonas para la elaboración de las pruebas 87
Figura 33. Probetas para ensayo de composición química 87
Figura 34. Esquema del proceso de elaboración de las probetas
metalográficas 88
Figura 35. Probetas metalográficas 88
Figura 36. (A) Impregnación de alcohol, (B) secado de las
probetas M1 y M2 89
Figura 37. Desbaste grueso para las probetas metalográficas 90
Figura 38. Pulido fino de la probeta M1 91
Figura 39. (A) Probeta M2 con el aglutinante seco,
(B) Aglutinante en el molde en estado líquido 92
Figura 40. (A) Pulido grueso para M1 (B) Pulido grueso para M2 93
Figura 41. (A) Pulido fino con agua para M1,
(B) Pulido fino con agua para M2 94
Figura 42. Revisión microscópica de la probeta M1 94
Figura 43. (A) Probeta M1, (B) Probeta M2 pulidas completamente 95
Figura 44. Esquema de extracción y mecanización de
las probetas para el ensayo de tracción 96
Figura 45. Dimensiones de la probeta para el ensayo de
tracción según el estándar ASTM E8 96
Figura 46. Delimitación del área para la extracción de
xi
Figura 47. (A) Montaje del cigüeñal en la sierra mecánica,
(B) corte trasversal del muñón de biela 98
Figura 48. (A) Cigüeñal cortado en secciones,
(B) figura base de las probetas 98
Figura 49. Rectificado de la superficie trasversal
de las probetas T1 y T2 99
Figura 50. Cilindrado de la probeta de tracción 100
Figura 51. (A) Probeta de tracción T1, (B) Probeta de tracción T2 101
Figura 52. Proceso de extracción de las probetas para
el ensayo Charpy 101
Figura 53. Dimensiones de las probetas Charpy según
el estándar ASTM E23 08 aɛ1 102
Figura 54. Delimitación del área para la extracción de las
probetas CH1 y CH2 102
Figura 55. Material base para las probetas CH1 y CH2 103
Figura 56. Probetas CH1 y CH2 acabadas 104
Figura 57. Grado de designación y composición química
de aceros con alto contenido de carbono 107
Figura 58. (A) Ataque químico de la probeta M1,
(B) Exposición de la probeta M1 al agua 108
Figura 59. Probetas metalográficas opacas después
del ataque químico (A) probeta M1, (B) probeta M2 109
Figura 60. Análisis metalográfico de la Probeta M2 109
Figura 61. Metalografía del contrapeso (M1), a 100X inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 8.28 micras (μm) 112
Figura 62. Metalografía del contrapeso (M1) a 100X 112
Figura 63. Metalografía del contrapeso (M1) a 500X 113
Figura 64. Metalografía del muñón (M2) a 100X con inclusiones no metálicas con un tamaño promedio de 24.2 micras (μm) 114
Figura 65. Metalografía del muñón (M2), acero de medio
contenido de carbono, microestructura correspondiente a martensita
xii
Figura 66. Metalografía del muñón (M2) a 500X 115
Figura 67. Prueba de dureza Rockwell C, (A) probeta D1,
(B) probeta D2 116
Figura 68. Probetas de dureza luego del ensayo, (A) D1, (B) D2 117
Figura 69. Comparación teórica-real de las durezas
Rockwell C de las probetas D1 y D2 122
Figura 70. (A) Verificación dimensional de la probeta T1,
(B) Calibrado de las probetas T1 y T2 123
Figura 71. (A) Montaje de la probeta T1 en la máquina
universal de ensayos, (B) probeta T2 en ensayo de tracción 124
Figura 72. (A) Probeta T2 ensayada, (B) probetas T1 y T2
después del ensayo de tracción 125
Figura 73. Límite elástico para T1 y T2 127
Figura 74. Deformación Ingenieril teórica -
Deformación Ingenieril real para T1 y T2 129
Figura 75. Módulo de Young E de diferentes materiales (editado) 131
Figura 76. Resistencia Máxima a la tracción teórica -
Resistencia Máxima a la tracción experimental 133
Figura 77. Porcentaje de elongación teórico –
Porcentaje de elongación real en 25 mm 135
Figura 78. Porcentaje de reducción del área de la probeta T1 y T2 137
Figura 79. Carga máxima de rotura de las probetas T1 y T2 139
Figura 80. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril para T1 140
Figura 81. Diagrama Esfuerzo Vs Deformación ingenieril real para T2 142
Figura 82. Resistencia máxima a la tracción extraída de
manera teórica y real vs Resistencia mínima y máxima a la
tracción de los aceros A29 grados 1055-1065 146
Figura 83. Dureza Rockwell C extraída de carácter teórico
y experimental vs Dureza Rockwell C de los aceros
A29 grados 1055-1065 147
Figura 84. Dureza Brinell extraída de carácter teórico y
xiii Figura 85. Macrografía, vista lateral de la fractura en la Probeta T1 151
Figura 86. Macrografía, vista frontal de la sección de
rotura en la probeta T2 151
Figura 87. Montaje de la probeta CH1 en la
máquina de ensayos de impacto 152
Figura 88. Ensayo Charpy en ejecución 153
Figura 89. Probetas CH1 y CH2 posterior al ensayo de
impacto o Charpy 153
Figura 90. Energía de impacto para las probetas CH1 y CH2 155
Figura 91. Trabajo residual del péndulo 157
Figura 92. Trabajo absorbido por CH1 y CH2 158
Figura 93. Resiliencia para CH1 y CH2 160
Figura 94. Macrografía, vista frontal de la fractura de la probeta CH1 162
xiv
ÍNDICE DE ANEXOS
PÁGINA
Anexo 1. Elementos constructivos del motor térmico de
combsutión interna alternativo 191
Anexo 2. Tablas de equivalencias internacionales de la
industria metalúrgica (aceros griñon) 192
Anexo 3. Características generales de los métodos de
ensayo de dureza y fórmulas para calcular la dureza 198
Anexo 4. Tabla 2-3 escala de dureza rockwell y sus usos 199
Anexo 5. Tabla para convertir diferentes escalas de
dureza del estandar SAE j417 200
Anexo 6. Norma ASTM e8 202
Anexo 7. Norma ASTM e23-07ªɛ1 230
Anexo 8. Cronograma general de actividades 256
Anexo 9. Desarrollo de actividades 257
Anexo 10. Informe del departamento de metalurgia extractiva
del la EPN 259
Anexo 11. Informe técnico del Laboratorio de Metalografía,
Desgaste y Falla de la EPN 259
Anexo 12. Informe técnico del laboratorio de Análisis
de Esfuerzos y Vibraciones de la EPN 265
Anexo 13. Informe de calibración de la máquina de ensayos
xv
RESUMEN
Para la elaboración de la presente investigación se utilizó los laboratorios de
la Escuela Politécnica Nacional (EPN), en los cuales se emplearon probetas
normalizadas bajo la Sociedad Americana para Pruebas y Materiales (ASTM),
esta investigación nació tras la necesidad de conocer los materiales de los
cuales están hechos los motores de los automóviles chinos del fabricante Saic
Motors, en específico del cigüeñal de la furgoneta modelo mini van pasajeros
de hasta 1 000cc, que han ingresado a la República del Ecuador ya que por
conocimientos empíricos, constantes en rectificadoras y talleres de la ciudad
este tipo de vehículos suelen averiase con mucha frecuencia, se llevó a cabo
el análisis químico por espectrometría de chispa del cual el contenido de
carbono del material fue de 0.68%, el análisis metalográfico bajo el estándar
ASTM A407-07 concluyó que el material presenta una estructura de
martensita revenida con alto contenido de carbono, se efectuó el ensayo de
dureza Rockwell en la escala C bajo el estándar ASTM E13-16 del cual el
material presenta una dureza de promedio 25HRC equivalente a 260.36 HB
en escala Brinell determinado teóricamente bajo el estándar ASTM E10-15a y
de 278.963VH en escala Vickers establecido teóricamente bajo el estándar
ASTM E92-16 que fueron confirmadas como verdaderas con el estándar SAE
J417 para aceros de la industria automotriz, se desarrollaron los ensayos
mecánicos destructivos de tracción bajo el estándar ASTM E8 en el cual el
límite elástico del objeto a prueba es de 855.135MPa que se confirmó como
verdadero tras la realización de la curva Esfuerzo vs Deformación Ingenieril,
se determinó la resistencia máxima a la tracción de 975.03 MPa en estado
revenido y de impacto o método Charpy bajo el estándar ASTM E23 08 aɛ1,
del cual el principal parámetro es la energía de impacto que resulto de 69.15J
dictaminando que se trata de un acero dúctil pero de elevada tenacidad, esta
afirmación fue confirmada mediante un análisis de la rotura de las probetas de
tracción y de impacto mediante macroscopía. En base a la composición
química y al ensayo metalográfico se determinó que el material del objeto base
xvi pertenece al estándar ASTM A29 en los grados 1055, 1059, 1060, 1064,
1065, y de acuerdo a las propiedades mecánicas el acero es un ASTM A29
xvii
ABSTRACT
In the elaboration of this research, is have used them laboratories of the
Escuela Politécnica Nacional (EPN), in which is employed specimens standard
under theAmerican society for testing and materials (ASTM). This research was
born the need to know the materials of which automobile engines are made
after Chinese manufacturer Saic Motors that have entered the Republic of
Ecuador since empirical knowledge, constant in grinding machines and
workshops of the city such vehicles are usually averiase very often, was
conducted chemical analysis by mass spectrometry of spark that the carbon
content of the material was 0.68% under the standard ASTM A407-07
metallographic analysis concluded that the material presents a structure of
martensita tempered containing medium carbon, was the trial of Rockwell
hardness scale C under standard ASTM E13-16 which the material has a
hardness of average equivalent to 260.36 25HRC scale Brinell HB theoretically
determined under the standard ASTM E10-15a and 278. 963VH scale Vickers
theoretically established under the standard ASTM E92-16 were confirmed as
true with the standard SAE J417 for automotive steels, developed the
destructive mechanical testing of traction under the standard ASTM E8, in
which the elastic limit of the test object is 855. 135MPa which is confirmed as
true following the completion of the effort curve vs deformation engineering,
determined the maximum tensile strength of 975.03 MPa at tempered status
and impact or Charpy method under the standard ASTM E23 08 toƐ1, of which
the main parameter is energy of impact resulting from 69. 15J ruling that it is a
ductile steel but of high tenacity, this statement was confirmed by an analysis
of the rupture of the specimens of tensile and impact through macroscopic.
Based on the composition chemical and to the essay metallographic is
determined that the material of the object base of the research are is of a steel
of average content of carbon that belongs to the standard ASTM A29 in them
degrees 1055, 1059, 1060, 1064, 1065, and according to them properties
1
1. INTRODUCCIÓN
La industria automotriz y la metalurgia se encuentran en constante innovación
debido a la gran demanda que existe en el campo de la manufactura
automovilística ya que esta busca nuevas aleaciones de acero con altísimas
prestaciones de calidad, con mejores propiedades físicas (fusibilidad, calor
específico, dilatabilidad, conductividad térmica y eléctrica), propiedades
químicas (resistencia a la oxidación y corrosión) y sobre todo mejores
propiedades mecánicas (tenacidad, plasticidad, ductilidad, elasticidad,
estricción, fragilidad, maquinabilidad, fluencia) para la construcción de
elementos fijos, móviles y mecánicos. El pleno funcionamiento del automotor
está ligado a la calidad de los materiales con los cuales fue construido y en
específico el motor que es el elemento más importante del vehículo, el cual
debe cumplir normas estrictas de calidad, de funcionamiento, de montaje, y
de acople; los aceros que se emplean para la construcción de los elementos
fijos y móviles poseen excelentes propiedades mecánicas, químicas y físicas
en general.
El motor de combustión interna posee diversos componentes estructurales
importantes y vitales durante el funcionamiento normal del vehículo, tal es el
caso del cigüeñal que es el encargado de soportar las cargas físicas de fuerza
y presión que se producen en el tiempo de combustión y que son trasmitidas
a este a través de la biela que está sujeta a los pistones por medio del bulón,
para esto es viable la investigación planteada en la cual el objetivo principal
de la presente investigación es: el análisis de los materiales utilizados en la
construcción de un cigüeñal de un vehículo chino marca SAIC Wuling modelo
Mini Van Pasajeros 1000cc mediante ensayos destructivos y no destructivos
bajo las normas internacionales dictaminada por la Sociedad Americana para
Pruebas y Materiales (ASTM) por sus siglas en inglés, con la finalidad de
determinar las propiedades mecánicas del material base de la investigación.
Históricamente los ciudadanos que residen en la República del Ecuador han
preferido la adquisición y el uso de vehículos de origen alemán, japonés,
2 Ecuador (AEDE), debido a parámetros circunstanciales cómo preferencia de
marcas, poder adquisitivo, modos de pago, nuevos modelos, innovación de
las marcas etc. Pero desde hace algunos años y por beneficio directo de las
políticas internas de la República del Ecuador se han visto afectadas estas
marcas seculares que han reducido sus ventas anuales, con el ingreso
abundante y paulatinamente creciente de vehículos de procedencia china que
en año 2015 fue de 33 640 automotores estos han ganado espacio en el
competitivo mercado automotriz ecuatoriano principalmente por los precios
relativamente más bajos que de los competidores habituales, ganando así
adeptos que han adquirido estos vehículos, tanto es la demanda de estos
automotores del gigante asiático, que hoy se puede encontrar estos
automotores en casas comerciales como Chery antiguamente Cinascar S.A,
Mecanosolvers y Savain (Ex Lada), Accpass, Autochina, Ambacar (vendedor
de Mazda), siendo la primera mencionada la marca china más demanda en
el año 2015 con 1 095 unidades vendidas con los modelo N6376 y N200 de
su filial Saic Wuling encabezando la lista.
Se decide utilizar el fabricante Saic Wuling importado por Cinascar S.A ahora
Chery del Ecuador como centro de la investigación.
Para que se puedan caracterizar las propiedades mecánicas del objeto a
prueba se identificó la composición química del acero de construcción del
cigüeñal del vehículo Saic Wuling, mediante espectrometría por chispa en el
taller de Metalurgia extractiva.
Se analizó el tipo de microestructura presente en el cigüeñal objeto de la
investigación mediante el análisis metalográfico y micrográfico elaborado en
el laboratorio de Metalografía, Desgaste y Falla bajo el estándar ASTM
A407-07.
Se verifico las principales propiedades mecánicas (dureza, resistencia
máxima a la tracción o tensión, límite de fluencia, energía de impacto) que
posee el acero del cual fue construido el objeto a prueba, mediante el ensayo
de dureza Rockwell en escala C bajo el estándar ASTM E18-16, el ensayo de
tracción bajo el estándar ASTM E8 y el ensayo de impacto o Charpy bajo el
3 el laboratorio de Análisis de Esfuerzos y Vibraciones de la Escuela Politécnica
Nacional.
Finalmente se determinó la clasificación ASTM de acero, el grado según el
porcentaje de Carbono y la comparación de las propiedades mecánicas
obtenidas tras la investigación para determinar si el acero con el cual fue
4
2. MARCO TEÓRICO
2.1. EL MOTOR
De forma general “el motor es una máquina que transforma cualquier tipo de energía que se le aplique, en energía mecánica” (Arias Paz, 2004, pág. 53).
Para darle una definición más adecuada en el contexto automotriz se define
como: Un motor térmico de combustión interna alternativo o rotativo que
puede ser de encendido provocado (ciclo Otto), o de encendido por
compresión (ciclo Diesel), que transforma la energía térmica presente en un
combustible, en energía mecánica (potencia) para proporcionar un trabajo
(movimiento). Está compuesto por una gran cantidad de elementos y sistemas
auxiliares como se muestra en la figura 1.
Figura 1. Motor de combustión interna alternativo de ciclo Otto (Ikonet, 2016)
Los motores térmicos de combustión interna alternativos se pueden clasificar
5
Tabla 1. Clasificación de los motores térmicos
TIPO DESCRIPCIÓN CARACTERÍSTICAS
Según el ciclo
Ciclo Otto
La mezcla estequiométrica (aire-combustible) detona por una chispa producida por la bujía
El ciclo de trabajo consta de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Explosión y Escape
Ciclo Diesel
El aire es comprimido en el interior del cilindro, se inyecta el combustible, y este se autoinflama por las
altas temperaturas
Funciona con elevadas cargas de presión y temperatura
El ciclo de trabajo consta de cuatro tiempos: Admisión, Compresión, Expansión y Escape
Según el número de
ciclos
Motores de dos
tiempos Completan un ciclo por cada vuelta del cigüeñal Motores de
cuatro tiempos Completan un ciclo por cada dos vueltas del cigüeñal
Según la presión de
admisión
Motores
atmosféricos Llamados de aspiración natural Motores
sobrealimentado s
Utiliza un turbocompresor
Según el número y disposición
de los cilindros
En línea Puede tener de 4 a 6 cilindros ubicados uno detrás del otro
En V Son dos motores en línea, unidos angularmente por un solo cigüeñal
En VR Similar al motor en V pero con un ángulo de inclinación de los cilindros mayor En W Utilizado mayormente por la marca Volkswagen Opuestos o
Boxer Es un motor más compacto
Según la ubicación en
el vehículo
Delantero
transversal Favorece a la refrigeración del motor Delantero
6 El presente trabajo se enfocó en el motor térmico de combustión interna
alternativo de ciclo Otto ya que el cigüeñal; que es la base del estudio proviene
de un motor a gasolina.
2.1.1. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS
El Motor está compuesto por una serie de elementos y mecanismos
esenciales para el pleno funcionamiento del mismo, para fines técnicos se
dividió en dos grupos: los elementos fijos y elementos móviles. Ver ANEXO I.
A continuación se describirá los elementos más importantes del motor térmico
de ciclo Otto del automóvil.
2.1.1.1. Elementos fijos
2.1.1.1.1. Bloque
Es el elemento hecho de una fundición gris, o una fundición de aluminio, que
tiene como misión alojar a los elementos fijos y móviles, está diseñado para
soportar todas las cargas que se generan durante el régimen normal de
funcionamiento del motor de combustión interna, pudiendo ser estas
mecánicas o térmicas. Es un elemento robusto, que posee una elevada rigidez
estructural, elevada conductividad térmica, resistencia a la corrosión y gran
resistencia mecánica, luego de su fundición se realizan perforaciones
estratégicamente localizadas para facilitar su lubricación.
2.1.1.1.2. Culata
Es el elemento que va montado en la parte superior del bloque, antepuesto
por la junta de la culata (empaque de culata) que asegura la estanqueidad
entre dicho elemento y el bloque por medio de pernos, está construida por
fundición de hierro con aleaciones de cromo y níquel, pero en la actualidad la
7 proporciona un cierre casi perfecto para los cilindros, debe ser resistente a la
presión de gases, poseer una buena capacidad para evacuar la temperatura,
una gran estanqueidad (para no dejar escapar los gases de combustión), un
alto coeficiente de dilatación y de resistencia mecánica. La culata para
motores de ciclo Otto y Diesel son totalmente diferentes debido a la geometría
de la cámara de combustión de cada uno.
2.1.1.1.3. Tapa de balancines
Es el elemento que va montado en la parte superior de la culata por medio
de tornillos anteponiendo una junta de goma, que cierra al motor en su parte
superior. Se construyen de aluminio, chapas de acero o de algún polímero
resistente.
2.1.1.1.4. Carter de aceite lubricante
Es el elemento encargado de contener el aceite para la lubricación del motor,
va atornillado al bloque del motor en la parte inferior, anteponiendo una junta
denominada empaque del carter, se construye de aluminio o chapa metálica
además de albergar el aceite lubricante también contiene en su interior una
pequeña bomba que es la encargada de succionar el fluido con alto límite de
vizcosidad hacia el motor, para que este cumpla sus funciones de refrigerar,
lubricar, limpiar, etc.
2.1.1.1.5. Colectores
Existen dos clases de colectores, el de admisión que es el encargado de
admitir el aire necesario para que se forme la mezcla estequiométrica
(aire-combustible), y el colector de escape que tiene como misión evacuar los gases
8 2.1.1.2. Elementos móviles
En el grupo de los elementos móviles más importantes se encuentra el
sistema del tren alternativo que está conformado por los siguientes elementos.
2.1.1.2.1. Pistón
Es el elemento encargado de recibir la presión generada durante el tercer
tiempo o de combustión, durante el proceso de obtención de energía con la
quema del combustible fósil. Son construidos con aleaciones de aluminio o de
magnesio, su geometría varía de acuerdo a las dimensiones de la cámara de
combustión, de la relación volumétrica etc. Este elemento debe ser liviano,
poseer una elevada resistencia térmica, elevada resistencia mecánica, alta
conductividad térmica, un reducido coeficiente de rozamiento. En su contorno
posee tres segmentos (fuego, compresión, engrase) que impide el paso de
aceite hacia la cámara de combustión proporcionando un cierre hermético.
Está unido a la biela mediante un bulón que en conjunto forman el denominado
mecanismo biela-manivela.
2.1.1.2.2. Biela
Este elemento va montado en el muñón del cigüeñal por medio de su cabeza,
y unido al pistón por su pie complementado con un bulón.
Es la encargada de transmitir los esfuerzos obtenidos por la presión de los
gases en la combustión hacia el cigüeñal y viceversa, está fabricada en una
sola pieza con forja o mecanizado, con aceros al carbono aleados con
cromo-níquel o con magnesio-silicio, posee una elevada rigidez y resistencia
mecánica. Además de estos elementos que se ha descrito también existen
otros componentes que si bien son necesarios para el pleno funcionamiento
del motor, no son indispensables para la presente investigación, los elementos
fijos y móviles descritos con anterioridad son considerados como los más
9
(Gonzáles Calleja, 2016)
Para propósitos de la investigación se ha hecho una extensa investigación
bibliográfica acerca del cigüeñal que también es un elemento del tren
alternativo.
A continuación se detalla cada aspecto que involucra al cigüeñal.
2.2. EL CIGÜEÑAL
Es la columna vertebral del motor, gracias a su diseño es el elemento que
absorbe y soporta las cargas físicas a las que es sometido el motor alternativo
de combustión interna durante su ciclo termodinámico de transformación de
energía. El cigüeñal transforma el movimiento rotativo en movimiento lineal
por medio del mecanismo conocido como biela-pistón, los materiales con los
cuales es construido este elemento mecánico deben resistir todos los
esfuerzos a los que está sometido, por lo general las empresas constructoras
de motores suelen utilizar materiales basados en múltiples aleaciones de
acero resistentes a fracturas, deformaciones, roturas, etc. El cigüeñal está
conformado por apoyos, contrapesos, muñequillas y un denominado brazo
como se muestra en la figura 3.
10
Figura 3. El cigüeñal (Gonzáles Calleja, 2011)
2.2.1. CRITERIOS DE DISEÑO
Al ser la columna vertebral del motor, este funciona a un régimen constante
durante su vida útil, debe cumplir parámetros técnicos de diseño y
construcción para poder soportar las cargas a las que es sometido. Debe ser
rígido, resistente con un grado prudencial de elasticidad, para que durante su
trabajo normal no sufra deformaciones prematuras, que estarán relacionadas
directamente con la temperatura en el interior del motor de combustión
interna, estas pueden ser leves o permanentes. Durante la fase de diseño es
imprescindible tomar en cuenta los diámetros de apoyo y muñequillas para
lograr un equilibrio perfecto.
2.2.1.1. Rigidez
El cigüeñal debe ser rígido, ya que es la propiedad que poseen los materiales
difíciles de deformar, “es la medida cualitativa de la deformación elástica producida en un material” (Valera Negrete, José Pedro Agustín, 2005, pág.
81).
11 El cigüeñal debe poseer una marcada dureza ya que es la propiedad que se
denomina como “la resistencia de un material a la penetración por una herramienta con punta” (Budynas & Nisbett, 2008, pág. 36). Se puede medir
mediante diversas pruebas, entre las más utilizadas están: dureza Rockwell y
dureza Brinell. La dureza que deberá tener el cigüeñal debe ser la ideal para
que sea lo suficientemente resistente como para soportar el trabajo mecánico para el cual fue diseñado y a la vez lo necesariamente “duro” como para que
no se convierta en un elemento frágil propenso a roturas prematuras.
2.2.1.3. Elasticidad
El cigüeñal debe poseer un límite elástico específico, ya que esta propiedad
se “puede definir como la capacidad general de un material para ser deformado plásticamente sin romperse” (Güemes Gordo & Martín Piris, 2012,
pág. 21).
2.2.1.4. Resistencia a la fatiga
Debido a que el cigüeñal se encuentra sometido a esfuerzos constantes es
necesario que posea una gran resistencia a la fatiga que se define como “la
capacidad de un metal para soportar una carga varias veces sin llegar a romperse” (Heredia Enriquez, 2015, pág. 15).
2.2.1.5. Resistencia a la rotura
El cigüeñal debe poseer una elevada resistencia a la rotura, que se define
como la propiedad que poseen los metales para soportar una carga
constantemente aplicada durante un tiempo determinado en un lugar en
específico antes de llegar a la rotura.
12 Gracias a las elevadas presiones que experimenta el motor de combustión
interna durante su ciclo de trabajo, el cigüeñal sufre de múltiples esfuerzos
los cuales contrarresta gracias a su diseño y a las aleaciones de aceros
utilizados para su construcción, los principales esfuerzos que experimenta el
cigüeñal son: torsión, flexión, tracción y compresión, siendo los dos primeros
los más importantes en términos de ingeniería de diseño.
2.2.1.6.1. Torsión
“Es la deformación producida a un cuerpo causada por un par de fuerzas sin
que varié el volumen“ (Burbano De Ercilla & Gracia Muñoz, 2003, pág. 293). Este esfuerzo se produce durante las fases de admisión, compresión, y escape, “El giro del cigüeñal se transmite, a través del volante, a la
transmisión. La resistencia que opone el vehículo a la marcha (par resistente) somete el cigüeñal a esfuerzos de torsión” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág.
85). En la actualidad se realizan ensayos de torsión para comprobar las
características de un determinado material como se muestra en la figura 4.
(Kalpakjian & Schmind, 2008)
2.2.1.6.2. Flexión
“Es el fenómeno de deformación de un cuerpo por defecto de una fuerza
proporcional a su dimensión mayor, el sólido se deforma de tal modo que el
13 sistema de láminas planas paralelas se encorvan formando un haz de superficies curvas” (Burbano De Ercilla & Gracia Muñoz, 2003, pág. 294).
Este esfuerzo se produce en el tiempo de expansión en el interior del motor,
la presión creada por los gases en este tiempo, obliga a la biela a retornar a
su punto de partida con una fuerza directamente proporcional a la presión
creada en el interior del cilindro, este esfuerzo afecta principalmente a las
muñequillas y a los apoyos de bancada. En la actualidad se realizan ensayos
de flexión para comprobar las características de un determinado material, que
generalmente son muy frágiles como se muestra en la figura 5.
Figura 5. Esfuerzo de Flexión (a) de tres puntos, (b) de cuatro puntos
(Kalpakjian & Schmind, 2008)
2.2.1.6.3. Tracción
Este esfuerzo se produce principalmente sobre el brazo del cigüeñal a medida
que el pistón alcanza su punto muerto superior, en la segunda mitad de su recorrido “tira de la biela y de los brazos de manivela hacia arriba, sometiendo
al eje del cigüeñal a flexión y a los brazos a tracción” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág. 85), como se muestra en la figura 6. Este esfuerzo resulta el más
importante cuando se trata de la determinación de las propiedades físicas y
14
Figura 6. Esfuerzo de tracción en el cigüeñal (Grupo Planeta (GBS), 2004)
2.2.1.6.4. Compresión
El esfuerzo de compresión es el opuesto exacto al esfuerzo de tracción, se
identifica o se presenta cuando a un cuerpo determinado se le aplican
diferentes fuerzas que actúan hacia el interior del cuerpo en los cuales tienden
a comprimirlo o aplastarlo, algunos elementos mecánicos que experimentan
este esfuerzo sufren de pandeo. Este esfuerzo como se muestra en la figura
7 se suscita en el cigüeñal cuando “los periodos de aceleración del embolo causan efectos de compresión” (Grupo Planeta (GBS), 2004, pág. 85).
Figura 7. Esfuerzo de Compresión (Giancoli, 2006)
2.2.1.7. Equilibrio del cigüeñal
Es una característica indispensable para el pleno funcionamiento del motor de
combustión interna. El motor en su conjunto debe estar equilibrado, de modo
que durante su régimen normal de funcionamiento las fuerzas y momentos
15 entre sí. Para que se pueda dar esto es necesario que el cigüeñal posea un
equilibrio estático y dinámico perfecto. Para esto se suele emplear una serie
de procesos de mecanizado en donde se desbasta usualmente los cojinetes
y las muñequillas respetando la normatividad vigente para no infringir las
tolerancias máximas especificadas por cada fabricante, logrando así un
cigüeñal con equilibrio perfecto, es necesario que el desbaste no sea en las
áreas cercanas a los orificios de lubricación del eje ya que puede causar una
serie de inconvenientes que desembocaran en problemas principalmente del
gripado del cigüeñal.
2.2.1.7.1. Equilibrio estático
“Un cigüeñal está equilibrado estáticamente cuando su centro de gravedad
está situado en un punto de su eje de giro” (Gonzáles Calleja, Motores
térmicos y sus sistemas auxiliares, 2015, pág. 85). De modo que si, se colocó
a un cigüeñal entre dos apoyos en sus extremos no debe moverse
independientemente cual sea el grado de inclinación que se le pueda propinar,
si el cigüeñal llegara a moverse indica que se encuentra desequilibrado y
necesita de mecanizado.
Esto se puede lograr en máquinas especiales de mecanizado que se
encargan de desbastar equitativamente las muñequillas aplicando
movimientos de forma angular, además de realizar un procedimiento
mecánico denominado variación de masas que se los hace exclusivamente
en los contrapesos.
2.2.1.7.2. Equilibrio dinámico
Para que un cigüeñal se encuentre equilibrado dinámicamente debe cumplir varios requisitos indispensables. “Un cigüeñal está equilibrado dinámicamente
cuando las fuerzas centrífugas generadas por las masas rotativas están equilibradas” (Gonzáles Calleja, Motores, 2011, pág. 116). Es decir que no
16 desbastar las muñequillas con un ángulo que no exceda los 180°, estas
muñequillas deben estar equilibradas estática y dinámicamente gracias al
diseño de su posición.
2.3. MATERIALES
Los materiales que se utilizan para la construcción de un cigüeñal para el
empleo en un motor térmico, en especial para la industria automotriz deben
ser sumamente resistentes, además de esto deben poseer propiedades
elevadas de dureza y resistencia, generalmente se emplean aleaciones de
acero para este tipo de elementos mecánicos, uno de los materiales más
frecuentes para la construcción del cigüeñal es la fundición de grafito
esferoidal que resulta ser un material económico para los fabricantes, otro
material que también suele utilizarse es el acero aleado con proceso de
estampación o forja. La industria automotriz, y en especial las empresas
encargadas de la construcción de los motores y sus componentes emplean
cada día más nuevas aleaciones de acero que permiten una mayor vida útil
de estos componentes. La calidad y el tipo de aceros elegidos para la
construcción de los cigüeñales dictaminará también un aumento del precio de
producción y por ende el de venta hacia los potenciales consumidores, esto
pasa más por el departamento de ingeniería que evaluará el factor
costo-beneficio de la elección de un material a otro. De forma general los tipos de
aceros como se muestra en la tabla 2 son:
Tabla 2. Tipos de aceros utilizados para la construcción de cigüeñales
DESIGNACIÓN PROPIEDADES RELEVANTES
JIS SAE/AISI ASTM DIN RES. TRACCIÓN (MPa)* % C
S45C 1045 A29 - 1045 CK45 686-700 0.45
S50C 1055 A29 - 1055 CK50 630 0.50
S55C 1055 A29 - 1055 CK55 670 0.55
SCM415 519 A519 15Cr Mo 4 630 0.15
SCM 420 4118 4118 25Cr Mo 4 517 0.20
SCM435 4137 4137 35 Cr Mo4 650-880 0.35
17 Cada empresa busca la mejor alternativa para la fabricación de sus
automóviles y de sus componentes que será un factor de confiabilidad y
garantía que cada empresa ofrece a sus clientes.
Las proporciones de los materiales utilizados para los cigüeñales en
motores de los automóviles en el 2003 se estima que, por fundición gris
fue del 25%, endurecidos (templados a elevadas temperaturas) o acero
normalizado del 20%, y acero micro-aleado del 55%. (Yamagata,
2005)
2.3.1. CIGÜEÑALES MONOLÍTICOS
Los cigüeñales monolíticos (un solo elemento compacto), se construyen con
aleaciones de acero al carbono (C), de acero al cromo molibdeno (Cr-Mo),
que además suelen tener uno o varios tratamientos térmicos para el
endurecimiento, entre los más utilizados están el temple con enfriamiento
lento, hoy en día se está empleando el Vanadio (V) ya que es un elemento
más barato y que reduce los costos de producción al no requerir un proceso
de enfriamiento lento, el cigüeñal requerirá de mecanizado para darle su forma
intrincada, las empresas constructoras suelen agregarle un 0.1% de Plomo
(Pb) o azufre (S) para facilitar el mecanizado o maquinabilidad.
Gracias a la diversidad que existe en la industria metalmecánica y en especial
a la procedencia y fabricación de la misma existen diversas nomenclaturas
para un determinado componente o una determinada aleación ya sea esta de
España, Alemania, Japón, Italia, EE.UU o de la Unión Europea. Las diferentes
aleaciones tienen el mismo porcentaje de componentes por lo tanto las
mismas propiedades físicas, térmicas o mecánicas, lo único que tendrá una
variación será la nomenclatura que estará propuesta de acuerdo a la norma
de calidad de fabricación de cada país. Ver ANEXO II
Entre los tipos de aceros más utilizados para la construcción de un cigüeñal
independientemente de que tipo de monolítico sea son el JIS-S45C, JIS
SCM-S50C, JIS SCM-S55C, JIS SC-M415, JIS SCM -420 y JIS SCM-435 según el
18 componentes químicos que se utilizan en estas aleaciones y sus porcentajes
como se muestra en la tabla 3.
Tabla 3 . Composiciones químicas de los materiales del cigüeñal (%) (Monolítico)
COMPOSICIÓN QUÍMICA C SI MN P.S CR MO V JIS-S45C 0.45 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00
JIS-S50C 0.50 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00
JIS-S55C 0.55 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00
JIS-SCM415 0.15 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.00
JIS-SCM420 0.20 0.25 0.80 0.03 10 0.20 0.00
JIS-SCM435 0.35 0.25 0.80 0.03 10 0.20 0.00
Acero micro aleado 0.50 0.25 0.80 0.03 0.00 0.00 0.10 (Yamagata, 2005)
2.3.2. CIGÜEÑALES ENSAMBLADOS
Este tipo de cigüeñales generalmente se emplean para los motores
monocilíndricos y bicilíndricos, es decir para las motocicletas, los materiales
elegidos por el fabricante de todos los elementos funcionales del motor deben
cumplir todos los parámetros técnicos de funcionamiento, además de poseer
las propiedades mecánicas, físicas, térmicas y químicas necesarias que exige
el riguroso proceso de diseño y fabricación de este medio de transporte.
Las aleaciones metálicas que se utilizan para este tipo de cigüeñales son de
acero al carbono que, posterior a su fundición se mecanizan en máquinas
asistidas por un ordenador, tras el rectificado suelen emplearse
procedimientos físico-térmicos para mejorar las prestaciones de calidad del
cigüeñal, entre los procesos más utilizados están el temple y revenido con
enfriamiento lento, en donde la gama del fabricante será el factor para la
elección de los aceros empleados para la fabricación de sus componentes.
Los fabricantes de mayor poder económico y adquisitivo utilizan aleaciones
de acero especiales con porcentajes de Cromo (Cr) o Molibdeno (Mo) que
mejoran las propiedades físicas y mecánicas del cigüeñal como se observa
19
Tabla 4. Tipos de aceros utilizados para la construcción de los cigüeñales ensamblados
DESIGNACIÓN NORMA JAPONESA
Acero al carbono JIS-S45 JIS-S55 CC
Aceros especiales "Cr-Mo" JIS SCM415 JIS SCM420
2.4. PROCESO DE CONSTRUCCIÓN
Posterior a la elección adecuada del material que será empleado para la
construcción del cigüeñal y tras el análisis del factor costo-beneficio en el
departamento de ingeniería, comienza una serie de procesos metalúrgicos,
recubrimientos térmicos, y de mecanizado para dar por finiquitado la
construcción del cigüeñal. Entre los procesos metalúrgicos más
frecuentemente utilizados están: los procesos de estampación o forja, la
fundición; que puede ser fundición gris, de grafito esferoidal o fundición dúctil
y el mecanizado completo partiendo de un cilindro de un acero que será
mecanizado al cien por ciento. Tras obtenerse la geometría básica del
cigüeñal, utilizando uno de los dos primeros procesos metalúrgicos que
resultan ser los más económicos, comienza un proceso de mecanizado
especialmente en los apoyos y las muñequillas que será de vital importancia
para el equilibrio estático y dinámico del cigüeñal, seguidamente se realizan
las perforaciones para la lubricación que serán realizadas en puntos
estratégicos para que no ocasionen un desbalanceo y pueda acaecer en algún
inconveniente futuro. Luego del mecanizado pleno de la forma geométrica del
cigüeñal, se procede a la aplicación de una serie de tratamientos térmicos
para el endurecimiento superficial enfocándose en las muñequillas y los
apoyos que son las partes que tendrán que soportar mayores esfuerzos
durante el régimen normal funcionamiento del cigüeñal, los procesos térmicos
más empleados son la cementación que consiste en aportar carbono a la
superficie del acero a una temperatura adecuada logrando una capa de
20 nitrógeno a una temperatura calibrada logrando una capa nitrurada que oscila
entre 0.20 y 0.80mm, al final está el temple superficial por inducción cuyo
proceso, coloca al cigüeñal en devanados de inducción de cobre y se calienta
mediante corriente de alta frecuencia, permitiendo obtener una capa de 0.7 a
6mm de espesor, cabe recalcar que los espesores de cualquier tipo de
tratamiento termoquímicos dependerán directamente de la temperatura y el
tiempo que dure el proceso. Al finalizar el proceso el cigüeñal se somete a un
proceso de mecanizado como se observa en la figura 8.
Figura 8. Mecanizado del cigüeñal (Weil, 2016)
2.5. ELEMENTOS CONSTRUCTIVOS
El cigüeñal posee una geometría única que garantiza el pleno funcionamiento
del motor, es necesario que esté correctamente lubricado, para eso emplea
unas perforaciones como se observa en la figura 9.
21 2.5.1. CONTRAPESOS
El cigüeñal posee contrapesos que son diseñados estratégicamente para
distribuir el peso del elemento mecánico alrededor del eje central para obtener un equilibrio estático y dinámico perfecto, “se sitúan diametralmente opuestas a las muñequillas para equilibrar entre el 50 y 60% de las masas rotativas”
(Gonzáles Calleja, Motores, 2011, pág. 114).
2.5.2. APOYOS
Son el eje de giro del cigüeñal y el apoyo del mismo sobre el bloque del motor,
generalmente hay uno por cada dos codos del cigüeñal y soportan extensas
cargas de trabajo que las contrarrestan gracias a dos semicojinetes de apoyo
que tienen la misión de disminuir el rozamiento, lubricar y proteger a los codos
de un deterioro prematuro o normal mecánico por el trabajo realizado por el
motor. ”Los apoyos y muñequillas, llevan un proceso de Nitruración,
tratamiento que consiste en introducir nitruros durísimos hasta una profundidad de 0,8 mm” (Arias Paz, 2004, pág. 71).
2.5.3. MUÑEQUILLAS
Técnicamente es la parte excéntrica del cigüeñal y la función principal es
sujetar las cabezas de las bielas, anteponiendo un cojinete para reducir la
fricción de los elementos mecánicos; existen tantas muñequillas como
cilindros posea un motor, son diseñadas en una posición opuesta con los
contrapesos, para poder obtener un equilibrio estático y dinámico ideal.
2.5.4. EL BRAZO O MANIVELA
Es el elemento que está interpuesto entre los apoyos y las muñequillas del