Influência das falhas superficiais no óleo

May 28, 2023

Scientific Reports volume 12, Artigo número: 21131 (2022) Citar este artigo

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O objetivo deste estudo é avaliar a vida em fadiga de uma mola de válvula de motor automotivo quando o microdefeito é aplicado a um fio temperado com óleo classe 2300 MPa (fio OT) com 2,5 mm de diâmetro como profundidade crítica da falha. Primeiro, a deformação das falhas superficiais no fio OT durante os processos de fabricação da mola da válvula foi derivada através da 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. Segundo, a resistência da mola da válvula foi analisada para examinar a presença de tensão residual e comparar os níveis de tensão aplicados pela falha superficial. Terceiro, a influência dos microdefeitos na vida à fadiga da mola foi avaliada aplicando a tensão na falha superficial derivada através da análise de resistência da mola à curva S – N derivada através de um teste de fadiga por flexão rotativa com o fio OT. A profundidade da falha de 40 µm, que é o critério existente para gerenciamento de falhas superficiais, não reduz a vida à fadiga.

As peças automotivas leves são muito procuradas na indústria automotiva para melhorar a eficiência de combustível dos veículos motorizados. Consequentemente, a aplicação de aços avançados de alta resistência (AHSS) tem aumentado nos últimos anos. Uma mola de válvula de motor automotivo compreende principalmente um fio temperado com óleo (fio OT) com alta resistência ao calor, resistência à fadiga e resistência à curvatura.

Os fios OT atualmente em uso auxiliam na redução do tamanho e peso das molas das válvulas do motor devido à sua alta resistência à tração (1900–2100 MPa); eles podem melhorar a eficiência do combustível reduzindo o atrito com as peças adjacentes1. Devido a essas vantagens, o uso de fios de alta tensão tem aumentado rapidamente e foram desenvolvidos fios de ultra-alta resistência da classe 2.300 MPa. Longa vida útil em fadiga é desejada para molas de válvulas de motores automotivos porque elas trabalham sob altos níveis de tensões cíclicas. Para satisfazer esse requisito, os fabricantes geralmente projetam molas de válvula considerando uma vida útil à fadiga superior a 5,5 × 107 ciclos e aplicam tensão residual à superfície das molas da válvula através dos processos de shot peening e ajuste a quente para melhorar sua vida útil à fadiga2.

Várias pesquisas sobre a vida à fadiga da mola helicoidal automotiva no ambiente operacional convencional foram suficientemente conduzidas. Gzal et al. apresentaram 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 razão de aspecto e do índice de mola e permite obter analiticamente a tensão de cisalhamento máxima, ou seja, um parâmetro crucial em termos de projeto prático3. Pastorcic et al. descreveram os resultados da análise de falha e fadiga de uma mola helicoidal removida de um veículo pessoal após falha em serviço. Utilizando métodos experimentais, a mola fraturada foi examinada e, a partir dos resultados, pode-se concluir que este é um exemplo de falha por fadiga por corrosão4. Kong et al. desenvolveram modelos de durabilidade de molas baseados em regressão linear múltipla para avaliação da vida em fadiga de molas helicoidais automotivas5. Putra et al. 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.

Falhas superficiais geradas durante os processos de fabricação causam concentração local de tensão nas molas das válvulas, reduzindo significativamente sua vida útil em fadiga. As falhas superficiais nas molas das válvulas são causadas por diversos 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 apresentam formato em “U” com inclinação suave8,9, 10,11. Falhas em forma de V causam maiores concentrações de tensão do que falhas em forma de U; portanto, padrões rigorosos de gerenciamento de falhas são normalmente aplicados aos materiais iniciais.