Influência das falhas superficiais no óleo

Mar 20, 2023

Scientific Reports volume 12, Número do artigo: 21131 (2022) Citar este artigo

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O objetivo deste estudo é avaliar a vida à fadiga de uma mola de válvula de motor automotivo quando o microdefeito é aplicado a um fio temperado a óleo classe 2300 MPa (fio OT) com 2,5 mm de diâmetro como profundidade crítica da falha. Primeiro, a deformação das falhas de superfície no fio OT durante os processos de fabricação da mola da válvula foi derivada por meio de análise FE usando a técnica de submodelagem, e a tensão residual da mola final foi medida e aplicada ao modelo de análise de tensão da mola. Em segundo lugar, a resistência da mola da válvula foi analisada para examinar a presença de tensão residual e comparar os níveis de tensão aplicados pela falha na superfície. Em terceiro lugar, a influência de microdefeitos na vida de fadiga da mola foi avaliada aplicando a tensão na falha de superfície derivada da análise de resistência da mola à curva S-N derivada de um teste de fadiga de flexão rotativa com o fio OT. A profundidade da falha de 40 µm, que é o critério existente para gerenciamento de falha de superfície, não reduz a vida à fadiga.

As peças automotivas leves estão em grande demanda na indústria automotiva para melhorar a eficiência de combustível dos veículos motorizados. Consequentemente, a aplicação de aço avançado de alta resistência (AHSS) tem aumentado nos últimos anos. Uma mola de válvula de motor automotivo compreende principalmente um fio temperado a óleo (fio OT) com alta resistência ao calor, resistência à fadiga e resistência ao escorrimento.

Os fios OT atualmente em uso ajudam a reduzir o tamanho e o peso das molas das válvulas do motor devido à sua alta resistência à tração (1900–2100 MPa); eles podem melhorar a eficiência de combustível reduzindo o atrito com as peças ao redor1. Devido a essas vantagens, o uso de fios de alta tensão tem aumentado rapidamente, e fios de ultra-alta resistência da classe 2300 MPa foram desenvolvidos. Longa vida útil em fadiga é desejada para molas de válvulas de motores automotivos porque elas trabalham sob altos níveis de tensões cíclicas. Para atender a esse requisito, os fabricantes geralmente projetam as molas das válvulas considerando uma vida de fadiga superior a 5,5 × 107 ciclos e aplicam tensão residual à superfície das molas das válvulas por meio de processos de jateamento e ajuste a quente para melhorar sua vida útil2.

Várias pesquisas sobre a vida em fadiga da mola helicoidal automotiva no ambiente operacional convencional foram suficientemente conduzidas. Gzal et al. apresentou uma análise analítica, experimental e de elementos finitos (FE) de uma mola helicoidal de seção transversal elíptica com um pequeno ângulo de hélice sob carga estática. Este estudo fornece uma expressão explícita e simples para a localização da tensão de cisalhamento máxima em função da relação de aspecto e índice de mola e permite obter a tensão de cisalhamento máxima analiticamente, ou seja, um parâmetro crucial em termos de projeto prático3. Pastorcic et ai. descreveu os resultados da análise de falha e fadiga de uma mola helicoidal removida de um veículo pessoal após ter falhado em serviço. Usando métodos experimentais, a mola fraturada foi examinada e, a partir dos resultados, pode-se concluir que se trata de um exemplo de falha por fadiga por corrosão4. Kong e outros. desenvolveu modelos de durabilidade de mola baseados em regressão linear múltipla para avaliação da vida em fadiga de molas helicoidais automotivas5. Putra et ai. determinou a vida útil de uma mola helicoidal automotiva devido à rugosidade da superfície da estrada. No entanto, existem poucos estudos sobre como os defeitos superficiais gerados durante o processo de fabricação afetam a vida útil da mola helicoidal automotiva6.

As falhas de superfície geradas durante os processos de fabricação causam concentração de tensão local nas molas das válvulas, reduzindo significativamente sua vida útil à fadiga. As falhas superficiais nas molas das válvulas são causadas por vários fatores, como falhas superficiais nas matérias-primas utilizadas, defeitos nas ferramentas e manuseio descuidado durante o processo de enrolamento a frio7. As falhas superficiais nas matérias-primas são em forma de V com inclinação acentuada, devido aos processos de laminação a quente e trefilação multipasse, enquanto as falhas causadas por ferramentas de conformação e manuseio descuidado exibem uma forma de "U" com inclinação suave8,9, 10,11. As falhas em forma de V causam maiores concentrações de tensão do que as falhas em forma de U; portanto, padrões rigorosos de gerenciamento de falhas são normalmente aplicados aos materiais iniciais.