Multiaxial fatigue applied to evaluation of crankshafts's life

Orientador: Auteliano Antunes dos Santos JúniorDissertação (mestrado) - Universidade Estadual de Campinas, Faculdade de Engenharia MecânicaResumo: O virabrequim é um dos principais componentes do motor de combustão interna e sua função é, em conjunto com a biela, transformar o movimento de translação do pistão em movimento de rotação. Como sofrem carregamentos cíclicos durante toda sua vida útil, o principal tipo de falha de um virabrequim é por fadiga. Porém, por estarem sujeitos a carregamentos complexos, tensões multiaxiais são geradas resultando no problema da fadiga multiaxial. Nos últimos anos, diversos métodos que tratam desse problema foram apresentados, porém, até hoje, nenhuma abordagem foi universalmente aceita. Este trabalho apresenta a avaliação da vida de dois virabrequins fornecidos pela empresa Thyssen Krupp Metalúrgica Campo Limpo Ltda quanto à falha por fadiga utilizando os critérios de fadiga multiaxial para elevado número de ciclos de Matake, McDiarmid e DangVan, baseados nos planos críticos, e os critérios de Sines, Crossland e Kakuno-kawada, baseados nos invariantes de tensão. Ao longo do trabalho, é descrita a cinemática e a dinâmica do movimento de um virabrequim bem como uma forma adequada de tratamento para a vibração torcional. Com base nos esforços, é feita a análise de tensões através do método de superposição de esforços unitários. Os resultados das tensões são utilizados como entradas em um algoritmo especialmente desenvolvido para os critérios de fadiga citados. As análises feitas mostram que os projetos analisados são seguros quando avaliados utilizando tais critériosAbstract : The crankshaft is one of the most important components of the internal combustion engine and its function is, with the rods, transforming the linear movement of the piston into rotation. As it is under cyclic loading during all of his life, the main type of failure in these components is due to fatigue. However, as they are subject to complex loads, multiaxial stresses arise, which results in the problem of multiaxial fatigue. Recently, several approaches to this problem were proposed but until now, there is no universally accepted approach. This work evaluates the life of two designs of crankshafts provided by Thyssen Krupp Metalúrgica Campo Limpo Ltda with respect to the fatigue failure using the multiaxial high-cycle fatigue criteria of Matake, McDiarmid and Dang Van, based on critical planes, and Sines, Crossland and Kakuno-Kawada, which are based on the stress invariants. Throughout the work it is described the kinematics and the dynamics of the cranckshaft movement and an appropriate form of treatment for the torsional vibration. Based on the loads, a stress analysis is performed using the finite elements method and the superposition principle. The resulting stresses are used as inputs in a specially developed algorithm to evaluate the fatigue criteria cited. These analyses show that the designs are safe when they are evaluated using such criteriaMestradoMecanica dos Sólidos e Projeto MecanicoMestre em Engenharia Mecânic