Falla de cruceta en carro de competencia SAE

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTÓNOMA DE MÉXICOFACULTAD DE ESTUDIOS SUPERIORES CUAUTITLÁN

DIVISIÓN DE INGENIERÍA Y TECNOLOGÍALABORATORIO DE INVESTIGACIÓN EN ENERGÍAS RENOVABLES

EVENTO ORGANIZADO CON APOYO DEL PAPIME PE1020157 AL 11 DE SEPTIEMBRE 2015

ID-05

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

RESUMENLa 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.

ABSTRACTThe 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.

INTRODUCCIÓNEn 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] 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).

mailto:[email protected]

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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

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dinámicas, lo primero que se realiza es una serie de pruebas 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 BHNAISI 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 RC.

Las propiedades mecánicas según American Welding Society`s Standard (AWS) del electrodo E 6013 son las siguientes [IV]:

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Tabla 5. Propiedades Mecánicas del electrodo E 6013 según AWS

CONCEPTO MAGNITUD

Resistencia a la tensión 430 Mpa 60 000 psi

Límite elástico 330 Mpa 48 000 psi

Elongación 22%

Impactó a 30 R 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 10La 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 13La 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

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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 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 DESTRUCTIVOSLos 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 2Según 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.

Referencia de modelo

Propiedades Componentes

Nombre: AISI 1018Tipo de modelo:

Isotrópico elástico lineal

Criterio de error

predeterminado:

Tensión máxima de von Mises

Límite elástico:

3.51571e+008 N/m^2

Límite de tracción:

4.20507e+008 N/m^2

Módulo elástico:

2e+011 N/m^2

Coeficiente de Poisson:

0.29

Densidad: 7900 kg/m^3Módulo

cortante:7.7e+010 N/m^2

Coeficiente de dilatación

térmica:

1.5e-005 /Kelvin

Sólido 1(Línea de partición3)(cruceta tomas)

Datos de curva: N/A

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Tabla 5. Información de mallado

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

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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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. 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 R C en probetas Charpy V- Notch.

27 Joules

Realizar un chaflán de 45R 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.

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