Análise de Falha em Um Eixo de Comando de Válvula

Engenharia mecânica

Análise de falha em eixo de comando de válvulas

Integrantes: Alex Bramuth, Elder Jacques, Guilherme Ferreira, Guilherme Martins, Mairink Ferreira, Valdinei Dutra, Valdesson Henrique.

Professor Orientador: Glayson Carvalho

Professores Coorientadores: Bruno Chaves, Cristiano Elias, Cristiano Henrique, Fernanda Cristina.

1. Contextualização

Um dos principais equipamentos utilizados atualmente nos processos mecânicos são os motores a combustão interna. Um equipamento que transforma a energia química em movimento, como por exemplo, o motor de um carro.

Um dos seus principais componentes é o eixo de comando de válvulas, que é uma peça que controla a abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape, e que influencia diretamente no funcionamento do motor.

Porém, esta é uma peça que sofre grande esforço físico e, consequentemente, é uma peça com alto índice de manutenções.

1. Justificativa

O comando de válvulas é uma peça que tem um alto índice de falhas e apresenta um custo elevado com manutenções corretivas. A fim de reduzir estes custos com a manutenção, existem diversos estudos e análises de possíveis falhas para este equipamento, desde o seu processo de fabricação até os efeitos externos que o componente sofre durante o seu funcionamento.

1. Objetivo geral

O objetivo deste trabalho é analisar os tipos de falhas mais comuns que ocorrem em eixos de comando de válvulas, de forma a apresentar a causa das possíveis falhas e identificar meios de prevenção.

1. Objetivo específico

Analisar as causas de falhas em um eixo de comando de válvulas por calço hidráulico:

• Analisar as propriedades de construção da peça;
• Analisar os efeitos externos;
• Analisar os desgastes devido ao funcionamento;
• Apontar meios de prevenção de desgaste.

1. Referencial Teórico

1. Funcionamento

Segundo os autores Brunetti (2018) e Martins (2016), motor de combustão interna é uma máquina térmica que transforma a energia química, como queima de combustíveis, em energia mecânica. Isso acontece através de mudanças controladas na pressão, volume e temperatura dos gases. Em motores modernos o processo acontece em quatro estágios. Primeiro a admissão, que é o estágio em que as válvulas de admissão permitem a entrada da mistura de combustível e ar. O segundo estágio é a compressão. Nesse estágio as válvulas se fecham e o pistão força a diminuição do volume da mistura de combustível e ar. No terceiro estágio, que é a explosão, um dispositivo elétrico (vela) gera uma centelha fazendo com que a mistura comprimida entre em combustão. E por último há Exaustão, onde as válvulas de descarga se abrem permitindo a liberação dos gases gerados pela combustão. O eixo de comando de válvulas controla a abertura e fechamento das válvulas de admissão e escape. Esse eixo é conectado ao virabrequim, ou árvore de manivelas, que é a peça que transmite a força gerada no motor às rodas, permitindo o movimento do automóvel. Vale ressaltar que o eixo de comando de válvulas gira com metade da rotação do virabrequim para equilibrar a abertura e fechamento das válvulas. Os ressaltos atuam sobre os impulsionadores das válvulas em tempos precisos.

1. Fabricação

Segundo os autores Buchli e Marcelo (2010), os eixos de cames são fabricados normalmente em aço forjado ou ferro fundido (ao níquel-cromo-molibdênio). Passam por tratamentos como cementação e têmpera de maneira a oferecer a máxima resistência ao desgaste dos ressaltos.

Os eixos usinados a partir de uma barra de aço forjado são produzidos pela seguinte sequência de processos de fabricação:

Primeiro é feito o corte da barra trefilada no comprimento da peça final, então partimos para a operação de forjamento bruto do eixo comando, que poderá ser em uma única ou em múltiplas batidas, dependendo da complexidade do perfil da peça. Depois, é feita a usinagem do perfil dos cames em uma máquina especial, o torno adaptado com perfil seguidor. Depois é feita a têmpera e revenimento para alívio das tensões e por último, a retificação dos mancais de apoio e dos cames.

As vantagens associadas deste processo são o menor tempo de usinagem, o menor desperdício de matéria-prima, o menor consumo de insumos como eletricidade e ferramentas de usinagem e maior resistência mecânica quando comparado à peça usinada em barra de aço, devido às linhas de dobra do material seguirem o perfil da peça.

As desvantagens deste processo são a necessidade de investimentos em ferramentas de forjaria, o início de fabricação mais demorado, a matéria-prima é mais cara que o ferro fundido e maior complexidade logística, pois nem sempre o centro de usinagem está próximo à forjaria e à beneficiadora.

Já na operação de fundição, o ferro fundido é vazado no molde da peça, depois os perfis dos cames são usinados em máquina especial (torno adaptado com perfil seguidor), depois é feito o tratamento térmico de nitretação para o endurecimento da superfície. Quando o processo é de fundição do tipo coquilha, o tratamento térmico ocorre diretamente no resfriamento do ferro fundido dentro do molde de fundição e por último, é feita a retificação dos mancais de apoio e dos cames.

    As vantagens deste processo são menor tempo de usinagem, menor desperdício de matéria-prima, matéria-prima mais barata que a do aço forjado, menor consumo de insumos como eletricidade e ferramentas de usinagem, menor peso da peça quando comparada ao aço. As desvantagens deste processo são a necessidade de investimentos em ferramentas de moldes de fundição e a resistência mecânica inferior que a do aço forjado. Além disso, considera- se também a maior complexidade logística, pois nem sempre o centro de usinagem está próximo a forjaria e a beneficiadora.

   O eixo de comando pode também ser usinado a partir de uma barra de aço trefilado, primeiro é feito o corte da barra trefilada no comprimento adequado para a usinagem da peça final, depois, no torno é feito faceamento das extremidades; usinagem do furo de centro; desbaste no diâmetro externo; desbaste dos seguimentos intermediários entre os cames e os mancais de apoio, depois têmpera e revenimento para alivio das tensões e por último, retificação dos mancais de apoio e dos cames.

 As vantagens deste processo são a não necessidade de investimentos em ferramentas de forjaria ou modelos de fundição, início de fabricação mais rápido e é um processo mais adequado as pequenas escalas de produção. As desvantagens deste processo são maior tempo de usinagem, maior desperdício de matéria-prima, maior consumo de insumos como eletricidade e de ferramentas de usinagem. Além disso, as peças possuem menor resistência mecânica quando comparada à peça forjada onde as linhas de dobra do material acompanham o perfil externo da peça e a matéria-prima é mais cara que o ferro fundido.