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MÓDULO 10

BIELAS

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MÓDULO 10

BIELAS INTRODUCCIÓN 1 -- ¡Bienvenidos a la continuación del Seminario sobre el análisis de fallas! En esta sección estudiaremos las bielas.

2 -- Repasaremos una vez más la nomenclatura de las partes de una pieza, sus funciones, las cargas, los procesos de fabricación, la instalación y el funcionamiento. Hablaremos Hablaremos también de los problemas que tienen las bielas y aprenderemos a buscar los indicios y las pruebas que nos llevan a las causas principales de las fallas. Prestaremos atención especial a los cinco primeros de los Ocho Pasos Aplicables al Análisis de Fallas. No hay que olvidar, sin embargo, los pasos 6, 7 y 8, porque son importantes y nos ayudan a obtener la "recompensa" mediante: a) Buena comunicación con el miembro responsable de la falla. b) Medidas adecuadas para remediar la situación y, en consecuencia. c) Continuar en en contacto con el cliente cliente para asegurar asegurar la solución del del problema. problema.

NOMENCLATURA 3 -- La partes principales de una biela son:















Vástago Asiento de cabeza de perno de biela Caras de contacto entre biela y tapa Agujero para cigüeñal Tapa de biela Asiento de tuerca de tapa de biela

• • • • • •

FUNCIONES 4 -- Las bielas cumplen dos funciones principales: principales: •

•

Primero, cambian el movimiento descendente de los pistones al rotacional del cigüeñal, Segundo, cambian la fuerza descendente o lineal de los pistones a la de giro o par motor del cigüeñal.

CARGAS Y ESFUERZOS

5 -- La biela está "empernada" al pistón y al cigüeñal. Esto quiere decir que la mayoría de las fuerzas que se aplican a una biela son de tensión (en la carrera de admisión) y compresión (en la carrera de compresión, combustión y de escape) en línea recta con su longitud.















6 -- Una biela sufre también cargas de flexión causadas por la inercia o el azotamiento que produce la rotación del cigüeñal. El pistón cambia de dirección en los dos puntos muertos de la carrera y, en ese momento, la inercia invierte la dirección de la flexión. La tensión y la compresión junto con las cargas de flexión producen cargas-cíclicas elevadas y, en consecuencia, promueven fracturas por fatiga del metal.

7 -- A medida que se van aplicando las fuerzas, se producen esfuerzos elevados en determinadas secciones de la biela. Y si se rompe, por lo general la rotura se da en una de las áreas de concentración de esfuerzos, indicadas a continuación: a) Los 120° inferiores del ojo de biela donde el pistón hace fuerza a través del pasador. b) La unión entre vástago y ojo de biela. c) En medio del del vástago donde las fuerzas de pandeo pandeo son las más elevadas. d) La unión entre vástago y agujero para el cigüeñal. e) Los filetes próximos al al asiento de la cabeza del perno. perno. f) Los 120° superiores del agujero para el cigüeñal, donde el pistón aplica al muñón del cigüeñal las cargas de la compresión y la ignición. g) Los file filetes tes próximos próximos a los as asientos ientos de de las tuercas.















FABRICACIÓN 8 -- Para poder analizar debidamente las fallas que se producen en las bielas, conviene saber cómo se fabrican. Las bielas de Caterpillar son de diferentes tamaños y van de la serie 3200 a la 3600. Para todos los tamaños se siguen procesos semejantes de manufactura y se utilizan materiales similares. Estudiaremos algunas etapas claves del proceso de fabricación de la serie 3400.

9 -- Las bielas se forjan con acero de aleación con alto índice de resistencia y tenacidad. Cuando el acero sin trabajar está caliente (aproximadamente 1200 O C), se martilla en el troquel de forja, haciendo que la línea de textura sea paralela a las superficies de las áreas de concentración de esfuerzos.















10 -- Esta es una sección transversal del agujero para el cojinete de biela. Noten que la línea de textura es paralela a las superficies de 1. el agujero 2. los filetes de de los asientos asientos de la la cabeza del perno y su tuerca y 3. la zona de unión entre el agujero para el cigüeñal y el vástago.

11 -- Del mismo modo, la línea de textura es paralela a 1. el vástago, 2. las superficies de la zona de unión entre el vástago y el agujero del pie de biela y 3. el agujero mismo. Esta distribución de la línea de textura da a la biela una resistencia columnar excelente y obliga además, a las grietas que se desarrollen a seguir un camino difícil (a través de los granos y no en la misma dirección). De este modo la estructura resultante es fuerte y resistente. r esistente.

12 -- Después de forjadas, las bielas se endurecen a RC 28 - RC 32. Luego se las granalla para eliminar todos los pequeños defectos de forja (escamas de picaduras, agujeros, microgrietas, etc.) El granallado induce asimismo esfuerzos de compresión en la superficie de la biela. Para que se forme una grieta, la superficie de una pieza debe estar en tensión. Al

















13 -- Después de realizar el torneado basto (agujeros, costados y caras de empuje) y de cortar la tapa, se trabajan los asientos para la cabeza del perno y la tuerca.

14 -- Las tapas de la serie 3400 se vuelven a granallar para restablecer una vez más los esfuerzos de compresión en los filetes de los asientos de la tuerca. Nota: Según el diseño, algunos asientos de cabeza de pernos y/o de las tuercas de biela de otros modelos pueden no granallarse.

















3400 se verifican con una carga de prueba de 1000 Kg. para que la tensión corresponda al 100% de las especificaciones. especificaciones.

16 -- Después de haber torneado el bisel mencionado, el agujero para el pasador de biela y el agujero para el cigüeñal se tornean a la dimensión definitiva. Esta operación se controla muy cuidadosamente mediante el sistema MARPOSS, que mide en forma automática el procedimiento y ajusta la preparación de las máquinas herramientas para asegurar la exactitud de los agujeros. Después de terminado lo anterior, se quitan manualmente las rebabas de cada biela (para eliminar la aspereza de las aristas), luego se lavan y se vuelven a armar.

17 -- Durante el montaje del motor en la fábrica se graba un número de cilindro cerca de las caras de unión entre biela y tapa. Es importante hacer coincidir siempre esos

















18 -- Al cambiar los bujes en el lugar de trabajo, se tornea el bisel como lo muestra esta imagen. Para evitar desalineación al instalar un buje nuevo de reemplazo, el ojo de biela se debe precalentar y el buje se debe instalar a presión con una herramienta especial según instrucciones específicas.

FUNCIONAMIENTO Y OPERACIÓN 19 -- En condiciones normales de operación, una biela no debería tener casi ningún desgaste, ya que no tiene áreas de roce, excepto el buje del pasador de biela, las caras de empuje y las superficies debajo de las tuercas. Tampoco debería haber

















20 -- Después de miles de horas de uso, es normal que ese buje tenga la superficie pulida y/o manchada, especialmente en el área de carga de 120°. El buje, sin embargo, no debería tener ningún tipo de rayadura, estrías, grietas o desgaste por adherencia.

21 -- Es también normal que el agujero para el cigüeñal tenga algunas manchas. Sin embargo, no debería estar rayado, estriado ni tener residuos de corrosión debida a desportillamiento desportillamiento por rozadura.

















23 -- La biela y la tapa no tendrían que dañarse donde hacen contacto. Tampoco debería haber corrosión debida a desportillamiento por rozadura ni presencia de material en estas superficies. Si hay desportillamiento por rozadura, esto indica que las juntas tienen cierto movimiento. Esta imagen nos muestra una superficie ligeramente pulida, lo cual es normal. Después de muchas horas de funcionamiento se pueden ver todavía las marcas del torneado original en las superficies de contacto entre biela y tapa.

24 -- Los asientos de las tuercas y de las cabezas de los pernos que unen biela y tapa no deberían estar dañados. Aquí se pueden ver todavía marcas del torneado original en el asiento de las cabezas de los pernos y marcas del granallado en los asientos de las tuercas (serie 3400) después de muchas horas de operación.



















25 -- Otros modelos pueden tener apariencia ligeramente diferente. Este es un ejemplo de asientos para cabeza y tuerca de la serie 3208. Noten que las marcas del torneado tienen una orientación diferente y que los asientos no han sido granallados.



















INDICIOS 27 -- Antes de hablar de las fallas que pueden tener las bielas, es conveniente que repasemos los "indicios" de las fracturas y daños más corrientes: • • •

Fractura por fatiga Fractura dúctil/quebradiza dúctil/quebradiza Corte por impacto

FRACTURA POR FATIGA

28 -- En la sesión sobre fracturas de este Seminario, aprendimos que las fracturas por fatiga se deben a cargas cíclicas y a la presencia de concentradores de esfuerzos. La superficie es suave, no muestra deformación plástica (rebajamiento o distorsión); puede haber "marcas de playa", "dientes", fracturas finales dúctiles y labios cortantes. Estas fracturas



















CORTE POR IMPACTO

30 -- El corte por impacto se produce cuando una parte golpea contra otra con mucha fuerza. Esto crea una superficie lisa y sedosa. La fuerza puede verse también en las superficies adyacentes, donde hay mellas, abolladuras y algunas veces descoloración por calentamiento. calentamiento.



















32 -- La mejor manera de limpiar las caras de las fracturas es utilizando un disolvente de evaporación rápida. Para quitar la grasa o el aceite, apliquen el disolvente a la cara fracturada y séquenlo con un paño o con aire.

FALLAS 33 -- Las bielas se pueden romper como resultado de condiciones anormales de operación o porque tengan, a veces, problemas de materiales o de mano de obra. Sea cual fuere la causa, es importante utilizar los Ocho Pasos Aplicables al Análisis de las Fallas, seguir los procedimientos aprendidos en la inspección ocular Y valerse de los- conocimientos básicos sobre tipos de desgaste y fracturas. Todo esto nos ayudará a pensar lógicamente frente a los datos y a seguir los indicios que nos llevan a la causa principal.



















FUERZA EXTERNA

35 -- Aquí vemos una biela doblada. Por lo general, si la biela esta doblada se debe a una fuerza no común, aplicada directamente por otra pieza pesada en movimiento o por movimiento restringido del pistón. En estos casos había indicios de impacto en la biela o daños en los pistones que explican la falla. Todas las piezas de esta diapositiva están en perfectas condiciones, excepto que la biela está doblada. El vástago no tiene mellas ni otra indicación de fuerza externa directa aplicada a la biela.





















37 -- La mitad inferior y la superior del cojinete, donde se aplican las fuerzas, parecen normales.





















FALL A DE COJINETES

39 -- Como se mencionó anteriormente, las bielas se pueden dañar debido a falla de cojinetes.

40 -- Vean este conjunto de piezas que fue devuelto a la fábrica. El informe decía que la biela se había roto en la mitad del vástago y había dañado las





















42 -- Aquí se ve la cara del vástago roto: la superficie es suave, lisa y con muy poca deformación plástica. Además, está pulida, lo que indica que la biela estuvo rajada algún tiempo antes de quebrarse.

43 -- Al mirar el agujero para el cojinete, vemos que éste patinó, pero hay sólo





















45 -- Las caras de unión entre biela y tapa estaban muy desportilladas, como se ve aquí, pero el mecánico informó que las tuercas estaban bien enroscadas en los pernos. Noten también que el agujero para el perno está agrietado hacia el exterior de la biela, lo que indica que el perno se torció por impacto de una fuerza elevada.





















Por lo tanto conviene investigar las circunstancias relacionadas con el cojinete y su instalación; por ejemplo, buscar pruebas en los otros cojinetes de pérdida momentánea, pero restituida, de suministro de aceite, examinar los perfiles de los muñones del cigüeñal, ver en qué condiciones de limpieza se llevó a cabo el reacondicionamiento (si corresponde), etc. Todo esto nos lleva a encontrar la causa principal de la falla del cojinete.















































































































ERRORES DE REACONDICIONAMIENTO

56 -- Los errores de reacondicionamiento (por ejemplo, no respetar los procedimientos de recuperación o volver a utilizar en forma inadecuada piezas gastadas o dañadas) producen con frecuencia fallas en las bielas.

































































































































































































































































































































































































































































































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