Estudio de factibilidad de reemplazo de un árbol de levas de un motor de combustión interna por otro construido en fundición esferoidal de pequeño espesor

Abstract

El objetivo de este trabajo es estudiar la factibilidad de reemplazar una pieza de alto compromiso de un motor de combustión interna, el árbol de levas, por otro de menor peso construido en Fundición Esferoidal de Pequeño Espesor a fin de reducir su peso. En consecuencia, la reducción del peso generaría una disminución del consumo de combustible y mejores prestaciones del motor. Para replicar las características funcionales de la pieza original, se realizó un relevamiento dimensional de su geometría y distribución de las levas y apoyos a lo largo del árbol. El peso de la pieza original es de 4,25 Kg. Luego, se procedió con un relevamiento metalográfico que permitió caracterizar el material y la microestructura del árbol de levas. Se obtuvo que la pieza original se encuentra fabricada en fundición gris ligeramente hipoeutéctica y aleada. Las levas presentan un endurecimiento superficial parcial, únicamente en las zonas de rampa, flanco y cresta. Con el objeto de determinar el valor de los esfuerzos a los cuales se somete la pieza original, se realizó el modelado computacional con elementos finitos, obteniendo una máxima tensión de 6 MPa en el radio de acuerdo correspondiente a la leva N°2. Posteriormente se diseñó la geometría de la pieza hueca buscando minimizar el peso y se corroboró su aptitud mecánica con herramientas de elementos finitos. Se obtuvo una pieza de 2mm de espesor mínimo lo cual resultó en una tensión máxima de 14,54 MPa. Finalmente, se diseñó el sistema para el colado de la pieza, utilizando simulaciones computacionales de flujo y solidificación por medio del programa Magmasoft. Para lograr un correcto llenado y alimentación de la pieza, es decir obtener una pieza “sana”,se debió aumentar el espesor a un mínimo de 5 milímetros, obteniendo una reducción de 850 gr (20%) respecto al peso de referencia. Se concluye que es factible el reemplazo del árbol de levas por uno de geometría hueca. La reducción de peso lograda, con el método de fabricación propuesto, es inferior a la que podría lograrse desde el punto de vista estructural.