El objetivo de este trabajo es diseñar y describir el proceso de fabricación de un cigüeñal para un Volkswagen golf 3 gl de 90 cv.

[pic 1]

Miguel Cortés Otero

Daniel Martí Dávila

Fernando Lago Nóvoa

Sergio Carballo Guzmán

Ingeniería de fabricación.

Portada

Índice

1.Objetivos.

El objetivo de este trabajo es diseñar y describir el proceso de fabricación de un cigüeñal para un Volkswagen golf 3 gl de 90 cv.

En cuanto al diseño, definiremos una serie de parámetros del motor que serán necesarios para dimensionar el cigüeñal, ya sean carrera del pistón, diámetro del mismo, etc. Para comprobar la validez de nuestro diseño, utilizaremos el programa Solidworks, mediante el cual realizaremos un análisis estático de los esfuerzos que debe resistir el cigüeñal en las condiciones más desfavorables que más adelante se detallarán.

En cuanto a la fabricación de la pieza, los tres métodos empleados son la forja en caliente, la fundición y el mecanizado. Los dos primeros son sin duda los más utilizados debido a su mayor productividad respecto al mecanizado y se utilizan en la fabricación de prácticamente todos los cigüeñales de automóviles en el mercado. Por lo tanto, el proceso de mecanizado queda reelevado a necesidades singulares para un motor en concreto, como pueden ser coches de competición con necesidades de geometrías de cigüeñal más específicas. En nuestro caso, hemos elegido la forja ya que se trata de un cigüeñal de un coche de carretera ampliamente distribuído y conocido, cuyas piezas se fabrican en serie. Describiremos los principios de la forja y también diseñaremos la matriz de forjado de nuestro cigüeñal mediante el programa Catia v5.

Otros objetivos no menos importantes del trabajo son mejorar el trabajo en equipo, la fijación de conceptos importantes sobre diseño y fabricación de piezas o aprender a buscar información rigurosa y elaborar un presupuesto aproximado.

2.Introducción.

En este apartado explicaremos qué es un cigüeñal, describiremos sus partes e indicaremos cuál es su vital importancia en un motor de combustión inerna alternativo (MCIA) además de sus principales causas de fallo.

-Definición: el cigüeñal es un árbol acodado que convierte el movimiento alternativo de subida y bajada de los pistones (provocado por la presión de los gases de combustión) en un movimiento circular siguiendo los principios del mecanismo biela-manivela.

Por lo tanto, es la pieza encargada de transmitir el par útil de tracción del motor que mediante la transmisión hace que el flujo de potencia llegue a las ruedas y que el coche acelere. A continuación describimos sus partes más importantes.

[pic 2]

-Partes más importantes:

1. Muñones de bancada o muñones principales: son los gorrones donde se sustenta el cigüeñal a la bancada.
2. Muñequillas o codos de biela: son los gorrones donde se articulan las bielas. Veremos más adelante que las mayores tensiones se alcanzan en los cambios de sección entre la muñequilla y los brazos.
3. Brazos: unen las muñequillas con los apoyos conformando las manivelas.
4. Contrapesos: colocados en posición opuesta a las manivelas para el correcto equilibrado del cigüeñal.
5. Acoplamiento del volante de inercia: es el extremo del cigüeñal en el que se acopla el volante de inercia, cuya función es compensar las fuerzas de inercia del cigüeñal y disminuír las perjudiciales vibraciones.
6. Extremo de la distribución: es el extremo opuesto del cigüeñal en el que se instala una correa o cadena encargada de sincronizar la apertura y cierre de válvulas de admisión y escape mediante los árboles de levas entre otras funciones.
7. Conductos de aceite: encargados de lubricar los muñones de bancada y las muñequillas para evitar desgastes y pérdidas mecánicas en el ciclo.

-Principales causas de fallo:

1. Sobrecarga mecánica del cigúeñal por fallos de combustión.
2. Un bloqueo repentino del motor debido a un cambio averiado o a contrapesos sueltos.
3. Vibraciones de torsión excesivas como amortiguadores de vibraciones averiados, volantes de inercia o embragues defectuosos.
4. Debilitamiento del material por daños anteriores del cojinete o por recocimiento de los muñones del cojinete, etc.
5. Repasado improcedente del cojinete del cigüeñal, es decir, un rectificado inapropiado del cojinete de bancada.
6. Daños mecánicos del eje antes del montaje.

3.Consideraciones de diseño.

3.1.Material.

Hemos elegido un acero aleado AISI 4140 debido a que sus propiedades físicas son ideales para resistir los esfuerzos generados sobre el cigüeñal.

Se trata de un acero de baja aleación al cromo-molibdeno. Se comercializa con o sin tratamiento de bonificado (temple y revenido). Se utiliza en piezas que requieren alta resistencia mecánica y tenacidad, ya que poseen una buena resistencia a la torsión y a la fatiga. Unas características muy importantes son su buena maquinabilidad y teplabilidad.

[pic 3]

                                                                    Fig.3.1.Eje de Acero AISI 4140.

Es un acero muy empleado en la fabricación de ejes, pasadores, engranajes ,barras de torsión o árboles de transmisión. Su densidad es de ρ=7,85g/cm3, su límite elástico oscila entre 590< Sy <700 MPa y su tensión de rotura oscila entre 930< Su <1030 MPa. Estas oscilaciones son debidas a las distintas severidades de temple que necesitemos en cada caso en concreto, siendo las mayores resistencias debidas a las mayores severidades de temple.

En cuanto al precio, también oscilará dependiendo del tratamiento térmico que el proveedor del acero realice sobre él. Hemos encontrado que los precios de este tipo de acero oscilan entre 800 y 1500 dólares la tonelada. Nosotros emplearemos el acero sin tratamiento de ningún tipo, ya que al forjar el acero elevamos la temperatura por encima de la temperatura de austenización y generalmente se enfrían en agua o en aceite, por lo que debido a la alta templabilidad del material, adquirirá una mayor resistencia.

3.2.Etapas de diseño.

En la primera fase del diseño, se define el diámetro de los cilindros y la separación entre ellos y la longitud del cigüeñal queda prácticamente definida tambien. Solo queda sumarle el espesor del acoplamiento del volante de inercia y la longitud del extremo de la distribución. En nuestro caso da una longitud total de 477,5 mm. El radio de la manivela debe ser la mitad de la carrera del pistón, es decir, la distancia entre el eje del cigüeñal y el eje de la muñequilla. Tenemos un radio de manivela de 43,2mm.

Una vez definidas la longitud y el radio de la manivela,  las dimensiones básicas a determinar en la fase de cálculo de resistencia estructural del cigüeñal son:

• El diámetro y la longitud de la muñequilla.
• El diámetro, la longitud y el nº de apoyos.
• El recubrimiento entre el diámetro de la muñequilla y el diámetro del apoyo.

Para guiarnos en la elección del diámetro de muñequillas y apoyos, utilizaremos la siguiente tabla donde están tabuladas las medidas más utilizadas:

[pic 4]

                                                              Tabla 3.2. Valores típicos de diseño.

Como el motor al que nos referimos es de encendido provocado, cogeremos los valores de la columna MEP.

Probaremos con distintos valores de diámetro para escoger aquel valor que con el mínimo material aguante bien los esfuerzos a los que estará sometida nuestra pieza.

Una consideración importante en cuanto a la rigidez es el recubrimiento del cigüeñal, que es positivo cuando el radio de la muñequilla más el radio del apoyo es mayor que el radio de la manivela. A mayor recubrimiento, mayor rigidez en el árbol. En nuestro caso será siempre positivo.

Debemos tener en cuenta que la unión entre brazos y muñequillas es una zona crítica de tensiones, por lo que se realizan con radios de acuerdo adecuados. Es una práctica bastante habitual utilizar muñequillas huecas ya que disminuyen la masa en rotación a equilibrar e incluso la concentración de tensiones. Nosotros no las haremos huecas debido al aumnto apreciable del coste.

...