Falla de Cruceta Izquierda en Carro
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PAGINA 1 DE 9 FALLA DE CRUCETA IZQUIERDA EN CARRO DE COMPETENCIAS DE BAJA SAE* De la Mora Ramírez Tomas 1 , Maldonado Onofre Daniel 1 ,Sánchez Huerta Daniel 2 RESUMEN La presente investigación tiene como finalidad mostrar los procedimientos a seguir para determinar los distintos eventos que dio lugar a la fractura de una cruceta de un vehículo de competencia, el cual falló durante una prueba de reconocimiento a la pista. Para llevar a cabo el estudio del análisis de falla, se ha apegado de la metodología de análisis de falla (AF) y la normatividad según la American Welding Society`s Standard (AWS). La entrevista en campo, a personal técnico sin experiencia en AF dictaminó que la falla correspondió a una sobre carga ocurrida cuando el vehículo alcanzaba una velocidad aproximada de los 120 km/h. ABSTRACT The present investigation has like purpose of showing the procedures to follow to determine the different events that gave rise to the fracture of a crosspiece of a competition vehicle, which failed during a test from recognition to the track. In order to carry out the study of the fault analysis, one has become attached of the methodology of fault analysis (AF) and the normatividad according to the American Welding Society `s Standard (AWS). The interview in field, to technical personnel without experience in high frequency considered that the fault corresponded to one on load happened when the vehicle reached an approximated speed of the 120 km/h. Palabras clave: Análisis de falla, Cruceta, Fractura. INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se analizan las condiciones en las que se produjo la falla de una cruceta (figura 1), determinando la secuencia de eventos que dieron como resultado su fractura, y así diagnosticar las causas fundamentales de la falla y realizar las recomendaciones pertinentes para evitar este tipo de problemas en el futuro. Se utilizó la metodología de análisis de fallas del libro Falure Analysis of Engineering Structures. [I] * 1 Departamento de Ingeniería Electromecánica, Tecnológico de Estudios Superiores de Jocotitlán, Carretera Toluca-Atlacomulco KM. 44.8 Ejido de San Juan y San Agustín, Jocotitlán. Estado de México Teléfono: (712) 1231313 1231348, [email protected]. 2 Universidad Politécnica del Valle de México Av. Mexiquense s/n, esquina Av. Universidad Politécnica, Col. Villa Esmeralda, C.P. 54910, Tultitlán, Estado de México La falla se presento durante un recorrido de reconocimiento de pista para probar todo el sistema mecanico del carro (transmisiòn, suspensión, chasis y direcciòn) y sistemas de seguridad como frenos. El inconveniente se manifesto como vibraciòn en la dirección a una velocidad aproximada de los 120 km/h. Figura 1. Cruceta utilizada para vehiculo de competencia SAE* EVIDENCIA DOCUMENTAL El Material utilizado para la elaboración de la cruzeta dicho por un tecnico automotriz en la entrevista realizada es de un acero AISI 1018, ya que es recomendado para la fabricación de piezas de maquinaria según tabla proporcionada por Altos Hornos de México.(Tabla 1) Tabla 1. Aceros bajo, mediano y alto carbono (Aceros SAE).
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Análisis de falla
Transcript of Falla de Cruceta Izquierda en Carro
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FALLA DE CRUCETA IZQUIERDA EN CARRO DE COMPETENCIAS DE BAJA
SAE*
De la Mora Ramírez Tomas1, Maldonado Onofre Daniel1,Sánchez Huerta Daniel2
RESUMEN La presente investigación tiene como finalidad mostrar los
procedimientos a seguir para determinar los distintos eventos que
dio lugar a la fractura de una cruceta de un vehículo de
competencia, el cual falló durante una prueba de reconocimiento a
la pista. Para llevar a cabo el estudio del análisis de falla, se ha
apegado de la metodología de análisis de falla (AF) y la
normatividad según la American Welding Society`s Standard
(AWS).
La entrevista en campo, a personal técnico sin experiencia en AF
dictaminó que la falla correspondió a una sobre carga ocurrida
cuando el vehículo alcanzaba una velocidad aproximada de los 120
km/h.
ABSTRACT The present investigation has like purpose of showing the
procedures to follow to determine the different events that gave
rise to the fracture of a crosspiece of a competition vehicle, which
failed during a test from recognition to the track. In order to carry
out the study of the fault analysis, one has become attached of the
methodology of fault analysis (AF) and the normatividad
according to the American Welding Society `s Standard (AWS).
The interview in field, to technical personnel without experience in
high frequency considered that the fault corresponded to one on
load happened when the vehicle reached an approximated speed of
the 120 km/h.
Palabras clave: Análisis de falla, Cruceta, Fractura.
INTRODUCCIÓN En el presente trabajo se analizan las condiciones en las que se
produjo la falla de una cruceta (figura 1), determinando la
secuencia de eventos que dieron como resultado su fractura, y así
diagnosticar las causas fundamentales de la falla y realizar las
recomendaciones pertinentes para evitar este tipo de problemas en
el futuro. Se utilizó la metodología de análisis de fallas del libro
Falure Analysis of Engineering Structures. [I]
* 1Departamento de Ingeniería Electromecánica, Tecnológico de
Estudios Superiores de Jocotitlán, Carretera Toluca-Atlacomulco KM. 44.8
Ejido de San Juan y San Agustín, Jocotitlán. Estado de México Teléfono:
(712) 1231313 1231348, [email protected]. 2Universidad Politécnica del Valle de México Av. Mexiquense s/n, esquina
Av. Universidad Politécnica, Col. Villa Esmeralda, C.P. 54910, Tultitlán,
Estado de México
La falla se presento durante un recorrido de reconocimiento de
pista para probar todo el sistema mecanico del carro (transmisiòn,
suspensión, chasis y direcciòn) y sistemas de seguridad como
frenos. El inconveniente se manifesto como vibraciòn en la
dirección a una velocidad aproximada de los 120 km/h.
Figura 1. Cruceta utilizada para vehiculo de competencia
SAE*
EVIDENCIA DOCUMENTAL
El Material utilizado para la elaboración de la cruzeta dicho por un
tecnico automotriz en la entrevista realizada es de un acero AISI
1018, ya que es recomendado para la fabricación de piezas de
maquinaria según tabla proporcionada por Altos Hornos de
México.(Tabla 1)
Tabla 1. Aceros bajo, mediano y alto carbono (Aceros SAE).
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Tabla 2. Composición química del acero SAE 1018
El plano de dibujo técnico se muestra en la figura 2, también se
muestra la ubicación y distribución de la pieza. La cruceta
fracturada corresponde a la llanta delantera izquierda de un
vehículo de competencia con un peso distribuido de 225 kg de
peso como lo muestra la figura 3y 4.
Figura 2. Plano técnico de cruceta
Figura 3. vista general del carro de competencia para pista
SAE.
Figura 4. Lay aout del automovil indicandola posicion de la
pieza y la interacción con el ensamble de la transmición.
PRUEBAS SOMETIDAS A LOS VEHICULOS
PARTICPANTES Para asegurarse de que cada vehículo que compite está dentro del
reglamento y por lo tanto es capaz de participar en las pruebas
dinámicas, lo primero que se realiza es una serie de pruebas
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estáticas que se dividen en tres partes: inspección técnica, una
prueba de inclinación y una de sonido y frenado. Al superar cada
una de estas pruebas se otorga una parte de la calcomanía que
permite concursar en la pista. El prototipo de Fórmula SAE* que
supere las pruebas sin problemas podrá participar junto con los
demás vehículos aprobados.
Una de las pruebas realizadas al vehículo es la de resistencia y
velocidad, en la cual el vehículo recorrerá una distancia de 22 km a
una velocidad de 120 Km/h con un motor de 25 HP a unos
segundos de haber comenzado y a una velocidad de 45 km/hr sobre
el recorrido de una curva la llanta delantera izquierda se impactó
sobre un pilar ocasionando la deformación del eje y el soporte de
la dirección (cruceta)
Las ruedas, por medio de las suspensiones son unas de las
principales cargas que tiene que soportar el peso del vehículo
(Figura 5). Muchas veces estas cargas ejercen una fuerza normal y
un momento flexionante a la cruceta montada en el chasis, y la
rigidez de la estructura a estas fuerzas condicionará en gran parte
el comportamiento del coche en pista (estabilidad). [II]
Figura 5. Imagen de la unión de la rueda y chasis.
EXAMEN PRELIMINAR DEL COMPONENTE QUE
FALLO.
Se procedió al la revisión y desensamble de la cruceta izquierda de
la rueda delantera, encontrandose que se habia fracturado en la
zona de la soldadura, en la union entre el soporte de la rueda y el
eje ( ver figura 4). La inspección macro de la pieza indico que
sufrio una importante deteriodo de deformación del material antes
de la falla en el cordón de soldadura como se muestra en la figura
6.
Figura 6. Falla en el cordón de soldadura de la cruceta.
Figura 4. Deformación del material en la zona del nervio de la
cruceta.
El exámen macroscópico detecto grietas en las partes de las
uniones soldadas de la pieza pero no en el material base ( Figura 7). La pieza no presenta ningún deteriodo por corrosión, abrasión o
alguna exposición térmica, cabe mencionar que la pieza solo fue
sumergida en liquido combustible Diésel y aire comprimido para
limpiarla de impurezas para manipular y detectar posibles grietas a
simple vista.
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Figura 7. Análisis Macroscópico de pieza.
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS
Se realizó un ensayo con líquidos penetrantes principalmente en la
zona de la soldadura para observar posibles imperfecciones (poros,
fisuras, o grietas secundarias) (figura 8.)
Figura 8. Ensayo mediante líquidos penetrantes para análisis
macro de la pieza.
METALOGRAFÍAS.
Se realizó el corte de probetas para una mejor manipulación en el
microscopio como se muestra en la figura 9. Se procedió a darles
una adecuada preparación superficial, la muestra a utilizar para la
metalográfica fue limpiada con alcohol para evitar que quedaran
partículas sobre la superficie que pudieran interferir en el momento
de observarla en el microscopio óptico, la caracterización de la
microestructura se llevó a cabo mediante el uso de un microscopio
óptico invertido de la marca ZEISS AX10.
Figura 9. Corte de la pieza para la elaboración de probetas
para análisis metalográficos.
Se les dio un ataque con Nital al 2 % durante 20 segundos. Una
vez concluido el ataque la muestra se limpió con alcohol y agua
secando con algodón limpio.
Estructura Ferrita y perlita fueron reveladas después de la técnica
de ataque como se muestran en las siguientes figura 10. [II]
Tabla 3. Propiedades mecánicas del Acero AISI 1018
TIPO DE PROCESO Y
ACABADO
RESISTENCIA A
LA TRACCIÓN
LÍMITE DE
FLUENCIA
MPA MPA
CALIENTE Y
MAQUINADO
400 220
ESTIRADO EN FRIO 440 370
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Figura 10 a) Metalografía a 500X presentando fases de ferrita
y perlita. b) Metalografía de fuente bibliográfica de un acero
1018 a 100X atacada químicamente con Nital al 2%.
La información bibliográfica nos indica que la estructura
observada en microscopio tiene todas las características de un
acero AISI 1018
APLICACIONES DEL ACERO AISI 1018.
Se utiliza en la fabricación de partes para maquinaria; automotriz,
línea blanca, equipo de proceso, etc.; que no estén sujetas a
grandes esfuerzos. por su ductilidad es ideal para procesos de
transformación en frío como doblar, estampar, recalcar, etc.
Sus usos típicos son flechas, tornillos, pernos, sujetadores, ya
cementado en engranes, piñones, etc..
PRUEBAS DE DUREZA.
Se realizaron pruebas de dureza Rocwell C con un peso de 588 Kg.
al material base y a la parte de la soldadura dando los siguientes
resultados:
Material Base dureza Acero AISI 1018 de 5 HRC
Soldadura E 6013 dureza de 2 HRC.
Tabla 4. Dureza Brinell Acero AISI 1018
Tipo BHN
AISI 1018 116
La siguiente imagen muestra la huella obtenida por la dureza al
material base y zona de la soldadura, el diámetro de huella es
mayor en el material base debido a que su dureza es menor.
Figura 11
Figura 11. Fotografía a 20X del diámetro de huella dejado por
el penetrador de diamante en la área de material base y
soldadura.
ANÁLISIS DE PROCESO DE FABRICACIÓN
Como se observó en el análisis macroscópico la falla de la cruceta
se dio en la parte de aplicación del material de aporte (ver figura
3). La metodología se realizó mediante soldadura de arco eléctrico
con electrodo E 6013 de ¼ de diámetro a una temperatura de
fusión de 400 ̊C.
Las propiedades mecánicas según American Welding Society`s
Standard (AWS) del electrodo E 6013 son las siguientes [IV]:
Tabla 5. Propiedades Mecánicas del electrodo E 6013 según
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AWS
CONCEPTO MAGNITUD
Resistencia a la tensión 430 Mpa 60 000 psi
Límite elástico 330 Mpa 48 000 psi
Elongación 22%
Impactó a 30 ̊ C en
probetas Charpy V-
Notch.
27 Joules
Composición química del E 6013.
Elemento % Máximo Elemento % Máximo
Carbono 0.20 Cromo 0.20
Manganeso 1.20 Molibdeno 0.30
Níquel 0.30 Vanadio 0.08
Silicio 1.00 Fosforo N.E
El proceso de fabricación de la cruceta se realizó por medio de
ensamble de piezas independientes por soldadura. La aplicación
del cordón de soldadura no fue el adecuado debido a que no hubo
penetración completa de esta a todo el material base, dejando
pequeñas aberturas las cuales se comportaron como un
concentrador de esfuerzos. Figura 10
La norma AWS establece los criterios de aceptación para las
diferentes imperfecciones que pueden presentarse en las uniones
soldadas, a estas imperfecciones se les llama discontinuidades.
Los cordones de soldadura aplicados a la pieza presentan los
siguientes defectos salpicadura del material de aporte, poros túnel
y penetración incompleta, como consecuencia de una mala
aplicación del cordón de soldadura como se muestra en la Figura
12.
Figura 12. Huecos presentados entre el ensamble de piezas
debido a la falta de penetración de la soldadura
Figura 13. Técnica mal aplicada de soldadura debido a que
presenta porosidad y salpicaduras de material de aporte.
La porosidad son cavidades formadas por gas atrapado durante la
solidificación del metal de aporte. Los poros generalmente tienen
forma esférica u alargada.
Cuando la porosidad no es excesiva o el tamaño de poros es
pequeño, su presencia no es crítica debido a que no tienen bordes
agudos que pudieran causar concentraciones de esfuerzos. Sin
embargo en la pieza estos huecos son grandes. Figura 13
La presencia de porosidad excesiva es evidente de falta de control
en los parámetros de soldadura, de un diseño de junta inadecuado,
una mala preparación de las juntas o bien, la contaminación de los
materiales de aporte o los fundentes así como suciedad, herrumbre
o humedad en la superficie del metal base.
Otra discontinuidad presentada fue la penetración incompleta, esta
se presenta cuando el arco eléctrico no logra fundir uno o las dos
caras de la raíz. La penetración incompleta puede presentarse en
ranuras soldadas por uno o por ambos lados e indeseable cuando la
raíz de la soldadura va a estar sujeta a esfuerzos de tensión o
doblez (flexión), ya que las áreas no fundidas permiten la concentración de esfuerzos que podrían causar una fractura sin
deformación apreciable, adicionalmente los esfuerzos de
concentración y la consecuencia distorsión que sufren las partes
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durante la soldadura pueden provocar la iniciación de fracturas en
el área no fundida y que llegan a extenderse a través del espesor de
la soldadura. [IV]
Las causas de la aparición de este defecto son varios peros dentro
de las más común son un amperaje bajo o el diseño inadecuando de
la junta, espesor demasiado grueso para que el arco de soldadura
pueda penetrar, el uso de electrodos de diámetro inadecuado con
respecto al diseño de la junta y velocidades de soldadura muy altas.
Un caso particular de falta de penetración es la ocasionada por el
des alineamiento de los elementos a soldar. [II]
ENSAYOS NO DESTRUCTIVOS Los ensayos no destructivos mediante líquidos penetrantes nos
indican que el material de aporte fue más en una de las dos piezas,
originando poca sujeción entre ambas. Figura 14
Figura 14. Se observa que el material del electrodo 6013 fue
más a la pieza 2
Según la norma AWS para soldaduras de filete las dimensiones de
los catetos del triangulo formado deben de ser iguales. Figura 15.
Figura 15. Dimisiones equivalentes en ambos catetos del
triángulo de soldadura
ANÁLISIS POR ELEMENTO FINITO.
Se realizó un análisis mediante el software de SolidWorks con las
condiciones del evento en el momento de la falla. Las fuerzas
aplicadas son una fuerza normal y un momento flexionante a la
cruceta montada en el chasis. La Magnitud de la Carga normal es
de 250 kgf que es el peso aplicado del vehículo y el momento
flexionante 200 kgf perpendicular a esta normal. Figura
16.
Figura 16. Puntos de aplicación de la Fuerza Normal y
flexionante.
Tabla 4. Propiedades del material utilizado en simulación.
Tabla 5. Información de mallado
Referencia de
modelo Propiedades Componentes
Nombre: AISI 1018
Tipo de
modelo:
Isotrópico
elástico
lineal
Criterio de
error
predetermina
do:
Tensión
máxima de
von Mises
Límite
elástico:
3.51571e+00
8 N/m^2
Límite de
tracción:
4.20507e+00
8 N/m^2
Módulo
elástico:
2e+011
N/m^2
Coeficiente
de Poisson:
0.29
Densidad: 7900 kg/m^3
Módulo
cortante:
7.7e+010
N/m^2
Coeficiente
de dilatación
térmica:
1.5e-005
/Kelvin
Sólido 1(Línea de
partición3)(cruce
ta tomas)
Datos de curva: N/A
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El resultado del estudio nos arrojó que la mayor cantidad de
concentración de esfuerzos se presenta en las zonas de sujeción de
la pieza. Figura 17.
Figura 17. Concentración de esfuerzos en las direcciones de
X,Y y Z.
Figura 18. Puntos de deformación en X, Y y Z
Figura 19. Concentración de esfuerzos de Von Mises
La figura 20 muestra la zona de mayor deformación en la pieza
virtual comparándola con la pieza real tiene mucha analogía.
Figura 20. Zonas de deformación virtual y Real
CONCLUSIONES.
Se determinó que la falla del dispositivo se debió a causa del
procedimiento de fabricación en específico la aplicación de la
soldadura ya que esta no fue la más adecuada o fue aplicada por un
técnico con pocas competencias.
Se concluye que el material para la fabricación, así como el diseño
de la cruceta es el adecuado ya que los nervios colocados en partes
estratégicas le sirven como soporte de esfuerzos.
El material Base no presento fisura alguna en los análisis macro y
microscópicos.
Se determinó por medio del análisis metalográfico que el material
de la pieza es acero AISI 1018 como se había dicho en las
entrevistas a los involucrados.
Tipo de malla Malla sólida
Mallador utilizado: Malla estándar
Transición automática: Desactivar
Incluir bucles
automáticos de malla:
Desactivar
Puntos jacobianos 4 Puntos
Tamaño de elementos 4.45273 mm
Tolerancia 0.222637 mm
Calidad de malla Elementos cuadráticos de alto orden
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RECOMENDACIONES.
Se sugiere soldar con un electrodo 7018 especial para estructuras.
Debido a que tiene mayor esfuerzo al corte como se muestra en la
siguiente tabla de propiedades según norma AWS: [III]
CONCEPTO MAGNITUD
Resistencia a la tensión 490 Mpa 70 000 psi
Límite elástico 400 Mpa 58 000 psi
Elongación 22%
Impactó a 30 ̊ C en probetas Charpy V-
Notch.
27 Joules
Realizar un chaflán de 45̊ a las piezas a ensamblar para que tenga
mayor penetración del material de aporte y mejorar según las
recomendaciones de la norma AWS para penetración.
Que el proceso sea realizado por personal calificado para evitar
errores de salpicadura y rechupe de soldadura.
REFERENCIAS
[I] A. R. R. K. a. S. B. V. Ramachandran, Failure Analysis of
Engineering Structures, E.U : ASM International, 2005.
[II] J. William D. Callister, Ciencía e Ingeniería de los Materiales,
México: Reverté, 1995.
[III] M. Handbook, Matallography and Microstructure,, E.U:
Volumen 1, 1978.
[IV] kOBELCO, Welding Handbook, Kobe Steel LTD, 2012.
[V] A. 3. Edición, Ciencia e Ingeniería de los Materiales, México:
International Thomson Editores, 1998.
