Análise de Falhas de Bielas de Motores Diesel

Os componentes de motores são solicitados em elevadas tensões cíclicas. As bielas que transferem a potência da câmara de compressão para o virabrequim (árvore de manivela) do motor estão entre os componentes mais solicitados no powertrain do veículo. Assim, a análise de falhas de bielas tem grande importância no desenvolvimento e fabricação de produtos mais confiáveis, como também, na análise da qualidade de equipamentos que já estão em campo.

Na análise de falhas em motores diesel considera-se, muitas vezes, somente a pressão de óleo de trabalho que está relacionada com o nível do óleo e o sistema de lubrificação. Assim, as análises das falhas da lubrificação de motores não se aprofundam nos detalhes do sistema de lubrificação e não chegam na causa raiz do problema.

Quando a lubrificação apresenta indícios não adequados é comum concluir-se precocemente que a falha do motor ocorreu por lubrificação inadequada e nível do óleo insuficiente. Porém, caso a falha apresente danos severos em bielas, como por exemplo seu engripamento, é necessário avaliar as características construtivas específicas das bielas detalhadas neste artigo.

O dimensionamento de uma biela para um motor à combustão considera a interação de todos os seus componentes em regime estático e dinâmico de esforços.

Assim, a biela apresenta modos de falha característicos decorrentes da sua construção e de seus componentes. 

Análise de Falha de Biela
Análise de Falhas de Bielas. 10 Modos de falhas relatados em artigos técnicos de Análise de Falhas de Bielas nos últimos anos. (Adaptado de Strozzi et al)

Componentes de uma Biela de Motor Diesel

A biela é composta basicamente por: capa da biela, parafusos de fechamento e bronzinas do olhal maior e menor. Como se trata de um componente montado, a observação das tolerâncias nos mancais são de elevada importância, como também, é o torque correto dos parafusos na montagem da capa que deve ser aplicado com precisão.

A análise de falhas de bielas pode ser orientada pelos modos de falhas mais comuns encontrados. A imagem esquemática da biela apresenta estes diversos modos de falhas relatados em diversos artigos técnicos que detalham a análise deste componente após a falha.

Qualidade dos Componentes da Biela

A qualidade dos componentes do conjunto da biela deve ser elevada e estes componentes devem ter todos esse mesmo nível de qualidade ótimo. Os parafusos da capa da biela devem apresentar uma qualidade fabril elevada, pois são um dos modos de falha frequentes na quebra deste componente. As falhas por fadiga destes parafusos podem ser causadas por problemas de fabricação relacionados abaixo:

  • formação de dobras, ou trincas por fibramento inadequado no forjamento
  • descarbonetação superficial decorrente de processos de fabricação a quente
  • difusão superficial do fósforo, que ocorre durante o tratamento térmico, quando o aço é revestido com fosfato antes da deposição a frio
  • fragilização por hidrogênio causada por processos de tratamento superficial
  • corrosão sob tensão (SCC)

O olhal da biela, bronzinas e o colo da árvore de manivela compõe um mancal deslizante. Os mancais deslizantes são submetidos a elevado desgaste em virtude do atrito, caso não haja lubrificação local. Os mancais de deslizamento tem a necessidade de uma grande quantidade de óleo lubrificante, e precisam trabalhar com uma folga ideal para manter o regime hidrodinâmico da lubrificação.

Lubrificação e Mancais de Bielas

Os manuais de serviço dos fabricantes de bronzinas indicam a importância da tolerância no mancal, que é da ordem de centésimos de um milímetro, que não pode se alterar durante o funcionamento do equipamento, devido ao risco de danificar o filme de lubrificante ideal entre a bronzina e as partes deslizantes.

Montagem e o Filme de Lubrificação

Os parafusos que fecham o mancal da biela podem com frequência apresentar trincas de fadiga que diminuem a rigidez deste mancal levando a uma abertura maior deste em trabalho. Também no caso de aplicação de torque incorreto dos parafusos na montagem do mancal, ocorre a perda da rigidez do mancal e pode-se perder a tolerância ideal de trabalho e consequentemente, perde-se a lubrificação hidrodinâmica no mancal.
No caso do rompimento deste filme ocorrem diversos tipos de defeitos de desgaste da bronzina com aquecimento do mancal que podem culminar com o engripamento da bronzina e até da biela. 

Materiais

O funcionamento da biela em motores diesel é severo e normalmente estes componentes são desenvolvidos em ligas perlíticas forjadas de alta resistência, como por exemplo, AISI 4140mod, e 36MnVS4, este último também é utilizado na fabricação da biela fraturada. Estes componentes, em aplicações diesel podem também apresentar tratamentos superficiais de shot peening que aumenta a vida em fadiga do componente.

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Conclusão

  • A análise de falhas de bielas deve considerar o ambiente de trabalho deste componente como também a relação com seus itens de montagem.
  • O modo de falha de um componente desta complexidade pode apresentar mais de um fator causal devido a sua complexidade de manufatura e funcionamento.

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