A quebra de virabrequim em motores diesel é mais frequente que nos motores do ciclo Otto

É de se admirar o conhecimento técnico de alguns profissionais da reparação automotiva, que basta ouvir o funcionamento do motor para afirmar que o virabrequim está quebrado.

Quando o cliente ouve esta informação, logo fica assustado e diz que só acredita quando o motor estiver aberto para ver o virabrequim quebrado em algumas partes.

Nas retíficas de motores e oficinas especializadas em veículos diesel, isso acontece com bastante frequência e o interessante é fazer a troca do virabrequim após a identificação da causa da quebra, que pode estar no bloco do motor, na montagem e folgas, nos alojamentos de mancais e bielas, na bomba e bicos injetores, no balanceamento do virabrequim e do volante do motor, nas dimensões e tratamento do virabrequim, mas podemos resumir em dois motivos principais que provocam a quebra de um virabrequim, que é o resultado da combinação da fadiga provocada pelos movimentos de flexão e torção. (Fig.1) 

O virabrequim é um dos componentes mais críticos para a operação eficiente e confiável dos motores de combustão interna, além da sua geometria complexa. A sua função é converter a força gerada pela combustão no motor em movimento rotativo. O movimento linear para cima e para baixo dos pistões é convertido em um torque pela biela e então transmitido ao volante. (Fig.2)

Existem duas cargas principais em um motor: a carga de inércia devido ao peso dos diferentes componentes do motor e a pressão do gás após a explosão do combustível. Essas duas cargas são responsáveis por criar os momentos de flexão e torção no virabrequim.

Quando um pistão exerce uma força para baixo, ele o faz apenas por cerca de 100 graus de rotação do virabrequim, mas parte dessa força é perdida como resultado da flexão do virabrequim, porque eles não podem ser totalmente rígidos. 

Logo após 100 graus de rotação, o virabrequim tenta retornar ao seu estado neutro, mas, ao recuar, ele ultrapassa sua posição neutra e, como resultado, deforma-se na direção oposta. Isso gera uma oscilação que pode ou não ser amortecida, dependendo do comprimento do virabrequim, diâmetro dos mancais, rotação do motor, ordem de ignição, alteração das folgas dinâmicas e, claro, da energia da força inicial para baixo provocada pela combustão. (Fig.3)

A amplitude da oscilação varia em função da posição do pistão que produziu a oscilação, por exemplo, se a oscilação foi produzida pelo pistão mais próximo do volante do motor, a deformação inicial e a oscilação subsequente são muito pequenas, pois, a massa e a inércia da massa girando rapidamente é um amortecedor de vibração razoavelmente eficaz.

No entanto, quanto mais longe do volante um pistão estiver, maior será a deformação inicial e a oscilação resultante, porque parte da capacidade da massa giratória de absorver ou resistir à deformação inicial é absorvida pelo comprimento do virabrequim entre a massa giratória e o pistão que produziu a deformação. Juntos, todos os fatores contribuintes mencionados até aqui se combinam para causar um aumento progressivo na amplitude das oscilações em direção à frente do virabrequim, que pode chegar a até dois graus de rotação em direções opostas em condições mais graves.      

Deve-se notar, porém, que dois graus de rotação do virabrequim é um caso extremo. Na grande maioria dos motores, as oscilações do virabrequim raramente ultrapassam cerca de um grau, mas, mesmo assim, isso é suficiente para destruir um virabrequim em pouquíssimo tempo, a menos que o amortecedor de vibração torcional seja eficaz na estabilização do virabrequim. (Fig.4)

O virabrequim quebrado que estamos abordando nesta matéria estava em um motor diesel de quatro cilindros de um HR, mas independente do modelo ou fabricante do veículo, a quebra pode acontecer.

Todo componente tem um limite ou tolerância de funcionamento e quando é ultrapassado, a consequência é a fadiga que leva á quebra, que neste caso foi o virabrequim. (Fig.5 a 8)

Por questões de produção em massa e redução de custos, a maioria dos virabrequins são fabricados pelo processo de fundição, passando por usinagem e tratamento para aumentar a sua dureza. Para fazer o virabrequim fundido, é derramado o metal fundido em um molde para produzir uma fundição bruta. A peça fundida sai do molde muito parecida com a sua forma final e não requer tanto acabamento de usinagem quando comparada a um forjamento.

Os forjamentos são feitos colocando-se um pedaço de tarugo aquecido em prensas de várias toneladas que, em seguida, o comprimem em forma com matrizes de forjamento. Ao contrário de uma fundição, o forjamento requer mais etapas de usinagem e acabamento que, em conjunto com os custos de material, criam uma peça com maior custo de produção.

Por concepção de projeto, o virabrequim tem os munhões e moentes endurecidos para serem mais resistentes aos desgastes do que as bronzinas, para garantir o menor custo nas manutenções, sem ter que trocar a peça principal que é o virabrequim. (Fig.9)

Este processo de endurecimento do virabrequim é necessário para elevar o seu tempo de uso, mas se não estiver dentro das especificações estabelecidas pelos fabricantes de motores, a dureza do material e a limitação de flexibilidade podem agir de forma contrária e levar à fadiga e a quebra do virabrequim.

O processo mais utilizado para o endurecimento do virabrequim é a nitretação, que é um processo em que se introduz nitrogênio na superfície do aço a uma temperatura extremamente alta. Este tratamento térmico é feito para aumentar a resistência ao desgaste, melhorar a fadiga e obter uma alta dureza superficial e por ser extremamente duro, torna-se quebradiço. 

A nitretação é realizada aquecendo o virabrequim em um forno com nitrogênio e outros gases presentes. O nitrogênio ionizado é depositado a vácuo na superfície do virabrequim, o gás penetra no metal durante esse processo de aquecimento controlado e aumenta a dureza e a resistência à fadiga do virabrequim, o nitrogênio penetra alguns décimos de milímetros, ilustrado na imagem com o detalhe da camada composta com lamelas de nitretação que formam uma camada branca. (Fig.10 e 11) 

Normalmente, o nitrogênio se difunde na superfície metálica, gerando uma estrutura modificada ou zona de difusão para uma profundidade de 0,1 a 0,5 mm. Esta região consiste em nitretos estáveis gerados pela reação termoquímica do nitrogênio com o aço.

A principal vantagem em termos de resistência à fadiga, em particular em aplicações de flexão, dada pelo processo de nitretação, consiste em gerar um estado de compressão abaixo da superfície devido à difusão do nitrogênio

São três métodos de nitretação comumente usados na indústria atualmente: nitretação a gás, nitretação a plasma e nitretação em banho de sal, sendo que cada método tem vantagens e limitações.

No processo de nitretação, o nitrogênio que se difunde no aço reage com os elementos formadores de nitreto, resultando em uma reação de endurecimento. A profundidade do caso depende de quão longe abaixo da superfície do aço o nitrogênio é capaz de se difundir durante o período de nitretação. O princípio envolvido é que, à medida que os elementos da liga são removidos da solução sólida, o nitrogênio, que é constantemente fornecido pela superfície, se difunde mais na liga e, assim, produz uma camada cada vez mais profunda.