Biela

Biela de unmotor de combustin interna.Se puede denominarbielaa un elemento mecnico que sometido a esfuerzos de traccin o compresin, transmite el movimiento articulando a otras partes de la mquina. En un motor de combustin interna conectan elpistnalcigeal.Actualmente las bielas son un elemento bsico en losmotores de combustin internay en loscompresores alternativos. Se disean con una forma especfica para conectarse entre las dos piezas, el pistn y el cigeal. Suseccintransversal o perfil puede tener forma deH,Io+. El material del que se fabrican es de unaaleacindeacero,titaniooaluminio. En la industria automotor todas se fabrican porforja, pero algunos fabricantes de piezas las hacen mediantemecanizado.ndice[ocultar] 1Partes de la biela 1.1Tipos de biela en funcin de la forma de su cabeza 1.2Materiales 2Funcionamiento en un motor de combustin interna 3Vase tambin 4Referencias 5Enlaces externosPartes de la biela[editar]Se pueden distinguir tres partes en una biela. La parte trasera de biela en el eje del pistn, es la parte con el agujero de menor dimetro, y en la que se introduce elcasquilloa presin, en el que luego se inserta elbuln, un cilindro o tubo metlico que une la biela con elpistn. El cuerpo de la biela es la parte central, est sometido a esfuerzos de traccin-compresin en su eje longitudinal, y suele estar aligerado, presentando por lo general una seccin en forma de doble T, y en algunos casos de cruz. La cabeza es la parte con el agujero de mayor dimetro, y se suele componer de dos mitades, una solidaria al cuerpo y una segunda postiza denominada sombrerete, que se une a la primera mediantepernos. Entre estas dos mitades se aloja uncasquillo,cojineteorodamiento, que es el que abraza a la correspondientemuequilla mun en elcigeal.1Tipos de biela en funcin de la forma de su cabeza[editar]En funcin de la forma de la cabeza de biela, y como se une a ella el sombrerete, se pueden distinguir: Bielaenteriza: Es aquella cuya cabeza de biela no es desmontable, no existe el sombrerete. En esos casos el conjunto cigeal-bielas es indesmontable, o bien es desmontable porque el cigeal se desmonta en las muequillas. Biela aligerada: Si el ngulo que forma el plano que divide las dos mitades de la cabeza de biela, no forma un ngulo recto con el plano medio de la biela, que pasa por los ejes de pie y cabeza, sino que forma un ngulo, entonces se dice que la biela es aligerada.Materiales[editar]Por lo general, las bielas de los motores alternativos de combustin interna se realizan enacero templadomedianteforja, aunque hay motores de competicin con bielas detitaniooaluminio, realizadas por operaciones de arranque de material.Funcionamiento en un motor de combustin interna[editar]

Diagrama de un motor de combustin interna. La letra R seala la biela.Cuando el pistn se encuentra comprimiendo la mezcla 10 antes para llegar alpunto muerto superior(PMS) lachispase activa, provocando que la mezcla comience quemarse y cuando llegue al PMS estafuerzaexplosiva que se est liberando se comprime. Debido a lasfuerzas inercialesel mecanismo sigue avanzando, al encontrarse a 10 despus del PMS es cuando se libera toda la fuerza.Los principales esfuerzos que sufre la biela son deflexincompuesta en el momento de la carga mxima al explotar la mezcla combustible (expansin del ciclo), la compresin estara dada por la componente de la fuerza sobre el eje longitudinal de la biela, y la flexin por la componente transversal a la misma, y lo mismo con el par reactivo proporcionado por la carga a travs del cigeal al oponerse al movimiento. Adems la biela sufre un esfuerzo de compresin nuevamente en la etapa de compresin de la mezcla.Despus de observar los distintos tipos de anlisis realizados a la biela se pueden notar dos puntos crticos que ocurren en diferentes etapas del ciclo mecnico, el primero de ellos se aprecia durante la compresin, este tiene lugar en la parte media de la biela, el segundo punto crtico se sita en la parte inferior de la biela y ocurre durante la expansin del ciclo. Lostornillos, por su parte, soportan solo un pequeo porcentaje de la carga.Con un anlisis similar en bielas de seccin tipoHen lugar deI, se observa que los esfuerzos que aparecen son menores, esto es debido a que las bielas tipo H se fabrican en su mayora mecanizadas y con una seccin constante, por lo que en la parte de la cabeza resulta sobredimensionada, disminuyendo las tensiones internas, se utilizan en motores de altas exigencias. Sin embargo en los automviles de produccin masiva se utilizan las bielas tipo I forjadas que resisten apropiadamente los esfuerzos que sufren en un uso normal, pero no son adecuadas para regmenes ms intensos.

BIELAS : FUNCIONES Y FABRICACION

La partes principales de una biela son: Ojo de biela Agujero para pasador de biela Buje de pasador de biela Vstago Asiento de cabeza de perno de biela Caras de contacto entre biela y tapa Agujero para cigeal Tapa de biela Asiento de tuerca de tapa de biel

FUNCIONESLas bielas cumplen dos funciones principales: Primero, cambian el movimiento descendente de los pistones al rotacional delcigeal, Segundo, cambian la fuerza descendente o lineal de los pistones a la de giroo par motor del cigeal.

CARGAS Y ESFUERZOSLa biela est "empernada" al pistn y al cigeal. Esto quiere decir que lamayora de las fuerzas que se aplican a una biela son de tensin (en lacarrera de admisin) y compresin (en la carrera de compresin, combustiny de escape) en lnea recta con su longitud.

Una biela sufre tambin cargas de flexin causadas por la inercia o elazotamiento que produce la rotacin del cigeal. El pistn cambia dedireccin en los dos puntos muertos de la carrera y, en ese momento, lainercia invierte la direccin de la flexin. La tensin y la compresin junto conlas cargas de flexin producen cargas-cclicas elevadas y, en consecuencia,promueven fracturas por fatiga del metal.

A medida que se van aplicando las fuerzas, se producen esfuerzoselevados en determinadas secciones de la biela. Y si se rompe, por lo generalla rotura se da en una de las reas de concentracin de esfuerzos, indicadasa continuacin:a) Los 120 inferiores del ojo de biela donde el pistn hace fuerza atravs del pasador.b) La unin entre vstago y ojo de biela.c) En medio del vstago donde las fuerzas de pandeo son las mselevadas.d) La unin entre vstago y agujero para el cigeal.e) Los filetes prximos al asiento de la cabeza del perno.f) Los 120 superiores del agujero para el cigeal, donde el pistnaplica al mun del cigeal las cargas de la compresin y la ignicin.g) Los filetes prximos a los asientos de las tuercas.

FABRICACINPara poder analizar debidamente las fallas que se producen en las bielas,conviene saber cmo se fabrican. Las bielas de Caterpillar son de diferentes tamaosy van de la serie 3200 a la 3600. Para todos los tamaos se siguen procesossemejantes de manufactura y se utilizan materiales similares. Estudiaremos algunasetapas claves del proceso de fabricacin de la serie 3400.

Las bielas se forjan con acero de aleacin con alto ndice de resistencia ytenacidad. Cuando el acero sin trabajar est caliente (aproximadamente 1200 O C),se martilla en el troquel de forja, haciendo que la lnea de textura sea paralela a lassuperficies de las reas de concentracin de esfuerzos.

Esta es una seccin transversal del agujero para el cojinete de biela. Noten quela lnea de textura es paralela a las superficies de1. el agujero2. los filetes de los asientos de la cabeza del perno y su tuerca y3. la zona de unin entre el agujero para el cigeal y el vstago.

Del mismo modo, la lnea de textura es paralela a1. el vstago,2. las superficies de la zona de unin entre el vstago y el agujero del pie debiela y3. el agujero mismo.Esta distribucin de la lnea de textura da a la biela una resistencia columnarexcelente y obliga adems, a las grietas que se desarrollen a seguir un camino difcil(a travs de los granos y no en la misma direccin). De este modo la estructuraresultante es fuerte y resistente.

Despus de forjadas, las bielas se endurecen a RC 28 - RC 32. Luego se lasgranalla para eliminar todos los pequeos defectos de forja (escamas de picaduras,agujeros, microgrietas, etc.)

El granallado induce asimismo esfuerzos de compresin en la superficie de la biela.Para que se forme una grieta, la superficie de una pieza debe estar en tensin. Alinducir esfuerzos de compresin en la superficie, cualquier fuerza que se apliquedebe primero sobrepasar dichos esfuerzos; de lo contrario no lograr producir tensinen la superficie. Por lo tanto, el granallado reduce la probabilidad de que se agriete elmetal.

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

Las tapas de la serie 3400 se vuelven a granallar para restablecer una vez mslos esfuerzos de compresin en los filetes de los asientos de la tuerca. Nota: Segn eldiseo, algunos asientos de cabeza de pernos y/o de las tuercas de biela de otrosmodelos pueden no granallarse.

Despus de haber torneado el agujero del buje del pasador de biela y una vezsemiterminado el agujero para el cigeal, el buje del pasador se instala a presin.Aqu se estn instalando bujes de la serie 3400 a temperatura ambiente antes debiselar la parte superior de la biela. Los cojinetes del pasador de biela de la serie3400 se verifican con una carga de prueba de 1000 Kg. para que la tensincorresponda al 100% de las especificaciones.

Despus de haber torneado el bisel mencionado, el agujero para el pasador debiela y el agujero para el cigeal se tornean a la dimensin definitiva. Esta operacinse controla muy cuidadosamente mediante el sistema MARPOSS, que mide en formaautomtica el procedimiento y ajusta la preparacin de las mquinas herramientaspara asegurar la exactitud de los agujeros. Despus de terminado lo anterior, sequitan manualmente las rebabas de cada biela (para eliminar la aspereza de lasaristas), luego se lavan y se vuelven a armar.

Durante el montaje del motor en la fbrica se graba un nmero de cilindro cercade las caras de unin entre biela y tapa. Es importante hacer coincidir siempre esosnmeros durante el reacondicionamiento para asegurar que la biela y tapacuidadosamente torneadas encajan perfectamente formando un agujero de integridady redondez de norma.

ANALISIS DE FALLA DE BIELAS (PARTE 1)

Antes de hablar de las fallas que pueden tener las bielas, es conveniente querepasemos los "indicios" de las fracturas y daos ms corrientes: Fractura por fatiga Fractura dctil/quebradiza Corte por impacto

FRACTURA POR FATIGAEn la sesin sobre fracturas de este Seminario, aprendimos que lasfracturas por fatiga se deben a cargas cclicas y a la presencia deconcentradores de esfuerzos. La superficie es suave, no muestradeformacin plstica (rebajamiento o distorsin); puede haber "marcas deplaya", "dientes", fracturas finales dctiles y labios cortantes. Estas fracturasse asocian normalmente con la causa original.

FRACTURA DUCTILLas fracturas dctiles se producen por una sobrecarga violenta. S edesarrollan rpidamente y tienen labios cortantes de tamao considerable.Las superficies son por lo general oscuras, speras, leosas y condeformacin plstica. Estas fracturas son casi siempre un resultado, no lacausa principal.

CORTE POR IMPACTOEl corte por impacto se produce cuando una parte golpea contra otracon mucha fuerza. Esto crea una superficie lisa y sedosa. La fuerza puedeverse tambin en las superficies adyacentes, donde hay mellas, abolladuras yalgunas veces descoloracin por calentamiento.

Para ver los detalles, las fracturas se deben limpiar adecuadamente y observarcon luz buena. Esto es importante para determinar la ubicacin y la condicinespecifica del punto de iniciacin que pudo haber producido la fractura.

La mejor manera de limpiar las caras de las fracturas es utilizando un disolventede evaporacin rpida. Para quitar la grasa o el aceite, apliquen el disolvente a lacara fracturada y squenlo con un pao o con aire.

FALLASLas bielas se pueden romper como resultado de condiciones anormales deoperacin 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 Anlisisde las Fallas, seguir los procedimientos aprendidos en la inspeccin ocular Y valersede los- conocimientos bsicos sobre tipos de desgaste y fracturas. Todo esto nosayudar a pensar lgicamente frente a los datos y a seguir los indicios que nos llevana la causa principal.

La mayor parte de las fallas de bielas no son de material o de mano de obra,sino que provienen de condiciones anormales de uso. Las condiciones anormalesms corrientes son:1. Fuerzas externas que doblan o rompen las bielas;2. Fallas de cojinetes que causan daos de bielas;3. Errores de reacondicionamiento (como reutilizacin de piezas daadas);4. Pernos rotos o flojos.Veamos algunos ejemplos de fracturas de bielas debidas a estas condicionesanormales.

FUERZA EXTERNAAqu vemos una biela doblada. Por lo general, si la biela esta doblada sedebe a una fuerza no comn, aplicada directamente por otra pieza pesada enmovimiento o por movimiento restringido del pistn. En estos casos habaindicios de impacto en la biela o daos en los pistones que explican la falla.Todas las piezas de esta diapositiva estn en perfectas condiciones, exceptoque la biela est doblada. El vstago no tiene mellas ni otra indicacin defuerza externa directa aplicada a la biela.

Una inspeccin detallada de la parte superior del pistn revelaapariencia normal. No ha habido contacto directo con la culata o con lasvlvulas.

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

Cmo es posible que una biela se doble y no deje indicio?

FALLA DE COJINETESComo se mencion anteriormente, las bielas se pueden daar debido afalla de cojinetes.

Vean este conjunto de piezas que fue devuelto a la fbrica. El informedeca que la biela se haba roto en la mitad del vstago y haba daado lasotras piezas.

Todas las caras de las fracturas en la parte inferior del pistn sonsperas y opacas, lo que indica que la rotura es dctil/quebradiza. El pistnse da porque otras piezas fallaron primero.

Aqu se ve la cara del vstago roto: la superficie es suave, lisa y conmuy poca deformacin plstica. Adems, est pulida, lo que indica que labiela estuvo rajada algn tiempo antes de quebrarse.

Al mirar el agujero para el cojinete, vemos que ste patin, pero hay slouna ligera descoloracin en la seccin superior de 120 donde la carga esms elevada. Esto indica que haba suficiente aceite para enfriar el cojinetemientras giraba. El agujero para el cigeal se calent nicamente en lasetapas finales de la falla.

Despus de que el cojinete se rompi, el cigeal golpete las paredesdel agujero rayndolas y desconchndolas considerablemente. Tambinnoten que los bordes de las paredes se redondearon donde la biela estuvo encontacto con los filetes del mun del cigeal.Al desarmarse no quedaba cojinete en el agujero. El cojinete se encontr enel colector de aceite, en pedazos pequeos, de escaso espesor y aplanado

Las caras de unin entre biela y tapa estaban muy desportilladas, comose ve aqu, pero el mecnico inform que las tuercas estaban bienenroscadas en los pernos. Noten tambin que el agujero para el perno estagrietado hacia el exterior de la biela, lo que indica que el perno se torci porimpacto de una fuerza elevada.

Los "indicios" en esta falla indican que el cojinete fall pero no por faltade aceite.Despus de disminuir considerablemente el espesor del cojinete, el impactodel cigeal contra las paredes del agujero hizo que la tapa del cojinete sebalanceara violentamente, produciendo desportillamiento de las caras deunin entre tapa y biela, aunque las tuercas estuvieran apretadas. Esegolpeteo cclico probablemente sobrecarg la biela y esto caus una fracturapor fatiga en el vstago.Es importante tener en cuenta todos los "indicios" para encontrar la causaprincipal de la falla. En este caso, es fcil llegar a la falsa conclusin que labiela o el pistn fall primero.Por regla general, una biela rota no causa tanto dao en el cojinete. Pero unafalla de cojinetes, que aumenta considerablemente el espacio libre, puedesobrecargar la biela, como en este ejemplo, y1. producir fracturas por fatiga en reas de concentracin de esfuerzosde la biela o de los pernos y/o2. hacer vibrar las tuercas y aflojarlas.Por lo tanto conviene investigar las circunstancias relacionadas con elcojinete y su instalacin; por ejemplo, buscar pruebas en los otros cojinetesde prdida momentnea, pero restituida, de suministro de aceite, examinarlos perfiles de los muones del cigeal, ver en qu condiciones de limpiezase llev a cabo el reacondicionamiento (si corresponde), etc. Todo esto noslleva a encontrar la causa principal de la falla del cojinete.

ERRORES DE REACONDICIONAMIENTOLos errores de reacondicionamiento (por ejemplo, no respetar losprocedimientos de recuperacin o volver a utilizar en forma inadecuadapiezas gastadas o daadas) producen con frecuencia fallas en las bielas.

Esta biela fall en el agujero para el cigeal y termin quebrndosecerca del asiento de la cabeza de los pernos. El cojinete parece estar en buenestado, excepto en el rea daada. Esto indica que el abastecimiento deaceite era bueno y que la causa no est en el cojinete.

Noten que la superficie de contacto de la tapa indica que se haproducido aplastamiento en el lugar opuesto a la fractura.A partir de este indicio es posible determinar cul fue el lado de la tapa que sesali primero. La cara opuesta a la que se haya aflojado primero mostrar elaplastamiento.A esto denominamos "abisagramiento"; en otras palabras, la biela se rompi yposteriormente se "abisagr" (como una compuerta) al otro lado,balancendose hacia el borde exterior de la cara de contacto y quebrando elperno con una fractura dctil. Ms adelante veremos ms ejemplos similares.La cara de contacto de esta biela tiene una apariencia un poco diferente. Eltorneado de fbrica por lo general le deja marcas transversales. Las marcasque aparecen aqu pueden indicar que la tapa de la biela se ha vuelto a alisar.

Si esto ocurri, es posible que el agujero para el cigeal tambin hayacambiado de tamao para alojar al cojinete.

Cules son los indicios que encontramos en la parte de atrs delcojinete? (discutir) Noten que el cojinete es 1,27 mm ms pequeo de lo quecorresponde y que hay corrosin por desportillamiento cerca de la superficiede contacto entre biela y tapa; adems, a medida que el cojinete se ibasaliendo del agujero, se fueron produciendo marcas de impacto. La parte deatrs del cojinete no tiene ningn indicio de sobrecalentamiento, por lo tanto,el suministro de aceite fue adecuado.

Aqu podemos ver la cara de la fractura. Cules son los indicios msobvios? Qu produjo la falla? (discutir)La cara de la fractura es lisa y tiene un "marcas de playa" que se inicia en unpunto situado en la parte superior derecha del dimetro interior del agujero.Como vimos en la sesin sobre fracturas, las fracturas por fatiga que seinician en un solo lugar se deben a un concentrador anormal de esfuerzos.La superficie del agujero muestra corrosin por desportillamiento en la partesuperior e inferior izquierda de la diapositiva, cerca de la cara de la fractura yen el punto de iniciacin.La corrosin por desportillamiento es probablemente el concentrador deesfuerzos que produjo la grieta por fatiga.

Para llegar a la causa principal, el que observa las piezas necesita vertambin los otros cojinetes y los agujeros de bielas, verificar cmo se llev acabo el reacondicionamiento, etc.La falla pudo haber sido el resultado de corrosin por desportillamiento,existente cuando se hizo el reacondicionamiento o producida despus dereacondicionar, originada quiz por volver a tornear el agujero sobremedida,dentro del cual el cojinete qued flojo.

Es muy importante ver si la superficie del agujero para el cojinete tienecorrosin por desportillamiento, o se ha daado durante elreacondicionamiento; cualquier irregularidad se debe corregir antes de volvera armarlo, siguiendo las pautas "Cat Guidelines for Reusable Parts andSalvage Operations"

PERNOS FLOJOS O ROTOSLos pernos quebrados o flojos pueden romper las bielas.

Observen este grupo de piezas rotas.1. La biela se rompi en el asiento de la cabeza del perno.2. Se rompi un perno. El otro esta doblado y todas las roscas estnmuy daadas.3. La tapa de la biela se "abisagr" en la parte inferior de la superficie decontacto, indicando que se rompi despus de haber fallado el otrolado. No hay desgaste por adherencia, lo que prueba que el cojineteno patin.4. Los cojinetes estn desgastados, pero no patinaron ni fallaron porfalta de lubricacin.

Aqu se ve una imagen ampliada del lado "abisagrado" de la tapa. Notenel borde exterior alisado de la cara de unin y que la fractura del perno esdctil (spera, leosa y deformada), lo que indica que hubo sobrecarga y quese parti durante un ciclo de carga.

Aqu vemos la parte de la biela que va arriba de la superficie decontacto. No hay desportillamiento por rozadura en la cara de unin pero haydao en el borde interior, lo que indica que la golpe el cigeal despus queel perno sali del agujero. Recuerden que ste es el lado de la unin que seabri primero.

Este es el otro extremo de la misma pieza. ;Qu tipo de dao sufri?(discutir) El dao fue de corte por impacto, segn los indicios (no hay "marcasde playa", la superficie es suave y sedosa, las mellas y el dao provienen dela elevada fuerza externa, aplicada despus que el perno sali del agujero).Como vimos anteriormente el corte por impacto es un resultado, no la causade una falla.

Lo anterior nos lleva a examinar el perno. La inspeccin del perno y dela tuerca revela que sta retrocedi.Noten que:1. los filetes del perno estn muy daados, por moverse en el agujerosin tener tuerca instalada,2. las ltimas roscas de la tuerca se robaron por sobrecarga cuando latuerca retrocedi hasta donde quedaron enganchadas, y3. la cara plana de la tuerca que sirve de arandela est muy golpeada yhasta echada en el agujero del perno.El agujero de la biela aparente- mente no estaba sobrecargado por el excesivo espacio libre del cojinete desplazado; el perno se aflojprobablemente por no estar debidamente ajustado.

Ahora necesitamos saber quin fue el ltimo que apret el perno. Cul era elkilometraje o horas de servicio? Se haba reacondicionado el motor o se lehaban puesto cojinetes nuevos?Estos datos adicionales pueden llevarnos a la causa principal, que no fue undefecto de la biela o del cojinete, sino de la mano de obra al instalar lospernos.