Șurub bielă

Ruperea prin oboseala a unor suruburi de biela

A fost realizată o analiză pentru a evalua cauza unei avarii de bază a unui motor auto Diesel, care s-a defectat la 6 luni după revizie. A fost monitorizată dezasamblarea bielelor si au fost selectate părti în vederea analizei ruperilor în laborator. Au fost testate prin rupere la oboseală una din patru tije ale suruburilor de biela. Au fost aplicate teste de rezistenta la rupere asupra patru din bielele rămase. Pe parcursul acestei proceduri, a fost verificat un alt şurub cu privire la propagarea fisurii la oboseală, fapt ce a indicat că asupra primului şurub supus la oboseala nu s-a reflectat relaxarea cuplului de torsiune. A fost înfaptuită o analiză cu elemente finite (AEF), împreună cu o modelare analitică a fisurilor, pentru a se evalua relaţia dintre forţa de strângere şi propagarea fisurilor la oboseala în cazul tijelor suruburilor de biela. Defectarea motorului a apărut datorită formarii unor suprapuneri în canelurile din tija şurubului. În final, au fost sugerate nişte modificari ale proiectului initiaal, pentru evitarea defectării ulterioare: o fantă in lungimea canelurii la conexiunea cu capacul bielei, suficienta pentru a evita combinarea suparpunerillor formate si pentru scaderea efortului; creşterea momentului de torsiune a ansamblului pentru a reduce amplitudinea tensiunilor.

1. Introducere

Defectarea şuruburilor poate avea consecinte catastrofale in sisteme complexe [1]. În ciuda vastelor cunostinte în ceea ce priveste mecanica şuruburilor, înca sunt raportate cazuri de defectare. Cei mai intalniti factori care contribuie la defectare sunt forţele de strângere mici, defecte de proiectare (în special alegerea gresita a razei de racordare la baza filetului), defecte de material sau de fabricatie, selectia gresita a materialui, tratament termic sau mecanic necorespunzator [2-6]. A fost realizată o analiză a defectelor pe un model de motor auto 6.6 Diesel, care s-a defectat în timpul functionarii, la 6 luni dupa revizia tehnică. S-a semnalat ca la momentul reviziei, motorul a fost demontat şi o parte din partile componente precum elemente de etansare, bucşe si elemente de conexiune a bielelor au fost înlocuite. Metodologia analizei defectelor a fost evaluată, având la baza etapele sugerate de ASM [7]. Pentru aceasta analiză motorul a fost demontat şi au fost înfaptuite analize vizuale preliminarii pentru selectarea părtilor componente care ar putea cauza defectul principal. Au fost de asemenea efectuate analize in laborator: a fisurilor, testele mecanice, analiza metalografica, precum şi modelări numerice si analitice ale fisurilor.

2. Materiale si metode

2.1 Demontarea motorului

Prima observaţie a aratat existenta unei fisuri a blocului motor, produsa de impactul cu cea de-a patra bielă, a cărei capac a fost dezmembrat datorită avarierii şurubului de biela. Apoi a fost demontata chiulasa motorului, fapt ce a evidenţiat fisurarea axului cu came în trei locuri si alte avarii precum: urme pe piston, datorita contactului cu supapele, fisuri secundare in cel de-al patrulea piston, precum si deformări ale supapelor, ale culbutorilor şi ale cozilor supapelor. Nu au fost observate fisuri anormale în cămaşa cilindrului. Cea de-a patra bielă s-a fisurat la conexiunea cu planul capacului de biela. Suruburile de biela aveau filet Whitworth UNF7/16, cu 20 de pasi/inch, cu diametrul tijei de 12 mm si lungimea tijei de (de strângere) 68 mm. Tijele suruburilor au 18 caneluri longitudinale (Fig. 1), ceea ce înlesneste asamblarea lor cu o suprafată mică de contact, pentru a mari rezistenţa la coroziune de fretaj. Producatorul şurubului recomandă strangerea cu un moment de torsiune de 100 Nm. Demontarea tuturor bielelor a fost realizată cu ajutorul unei chei dinamometrice, pentru verificarea momentului de torsiune existent in imbinarile filetate.

2.2 Analiza fisurii, teste mecanice si analiza metalografice

Două dintre tijele fisurate, părti din arborele de distributie precum şi şuruburile bielelor rămase au fost selectate pentru analize de laborator. Aceste analize au constat in observaţii asupra suprafeţei fisurii, facute cu microscopul cu scanare electronica (SEM) cu marire scăzută, teste de duritate, incercarea la tractiune (determinarea rezistenţei la rupere) si caracterizare metalografică. Duritatea a fost luata pe faţeta corpului unor biele selectate, utilizand scala Rockwell C (HRC). Testele de rezisetenţa la rupere au fost realizate pe o masina de incercat MTS 810. Analizele metalografice au fost efectuate pe doua biele selectate: una rupta pe parcursul avariei si alta pe parcursul unui test de rezistenta la rupere.

2.3 Modelarea numerica

Ansamblul dintre biela, capac si suruburi a fost modelat cu elemente finite, pentru a analiza corelatia dintre forţa de strângere, încarcarea in timpul funcţionarii motorului si starea de tensiuni din suruburile de biela. Generarea retelei, condiţiile limită precum si analizele numerice au fost realizate ajutorul programelor unui software comercial.