diseño y manufactura de tribómetro tipo anillo sobre bloque para obtención de curvas de fricción

7/25/2019 Diseo y Manufactura de Tribmetro Tipo Anillo Sobre Bloque Para Obtencin de Curvas de Friccin

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UNIVERSIDAD NACIONAL AUTNOMADE MXICO

FACULTAD DE INGENIERA

PROTOTIPO DE TRIBMETRO ANILLO SOBREBLOQUE PARA OBTENCIN DE CURVAS DE

FRICCIN

T E S I S

QUE PARA OBTENER EL TTULO DE:INGENIERO MECNICO

P R E S E N T A N

REN SANTIAGO BARRAL BECERRAPEDRO CRUZ LPEZ

DIRECTOR DE TESIS:DR. RAFAEL SCHOUWENAARS

MXICO DF FEBRERO 2014


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NDICEObjetivos ........................................................................................................................ 4

Prlogo ........................................................................................................................... 5

1. Introduccin ............................................................................................................... 7

1.1. Tribologa .............................................................................................................. 7

1.1.1. Friccin ....................................................................................................................... 9

1.1.2. Desgaste .................................................................................................................. 11

1.1.3 Lubricacin ................................................................................................................ 12

1.2. Normas para medir friccin y desgaste ............................................................... 14

1.3 Cojinetes de deslizamiento .................................................................................. 17

2. Antecedentes ........................................................................................................... 20

2.1. Viscosidad ........................................................................................................... 20

2.2. Curvas de Stribeck .............................................................................................. 22

2.3. Tribmetros ......................................................................................................... 25

2.3.1. Importancia de los tribmetros.................................................................................. 25

2.3.2 Definicin .................................................................................................................. 26

2.3.3. Tipos de tribmetros ................................................................................................. 272.4. Ensayos tribolgicos ........................................................................................... 31

2.5. Experimentos previos sobre desgaste y muestras tribolgicas ........................... 33

3. Diseo y Manufactura ............................................................................................. 34

3.1 Definicin del Proceso de Diseo ......................................................................... 34

3.2. Proceso de Diseo .............................................................................................. 35

3.2.1. Reconocimiento de la necesidad .............................................................................. 35

3.2.2 Investigacin previa ................................................................................................... 35

3.2.3 Planteamiento de los objetivos .................................................................................. 36

3.2.4 Especificaciones de desempeo ............................................................................... 36

3.2.5 Generacin de ideas e invencin ............................................................................... 38

3.2.6 Anlisis de propuestas. ............................................................................................. 42

3.2.7 Seleccin de propuestas. .......................................................................................... 44


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4. Diseo de detalle ..................................................................................................... 46

4.1. Clculo de la potencia del motor ......................................................................... 46

4.2 Diseo del Sistema de Carga ............................................................................... 54

4.2.1. Clculo de pernos para el sistema de carga ............................................................. 54

4.2.2. Anlisis del sistema de palancas .............................................................................. 56

4.3 Ensamble del dispositivo y prototipo final ..................................................................... 67

5. Resultados ............................................................................................................... 70

5.1 FACTOR DE MULTIPLICACIN DE CARGA .......................................................... 70

5.1.1DETERMINACIN TERICA DEL FACTOR DE MULTIPLICACIN DE CARGA ...... 70

5.1.2CLCULO DEL FACTOR CON MTODOS EXP ERIMENTALES . .............................. 74

5.2 ENSAYOS DE DESGASTE . .................................................................................. 755.2.1. ENSAYOS REALIZADOS . ...................................................................................... 77

5.2.2. PROTOCOLO DE PRUEBAS . ................................................................................. 77

5.2.3. RESULTADOS DE LAS PRUEBAS. ........................................................................ 78

5.2.4. CONCLUSIONES DE LOS ENSAYOS. ................................................................... 87

6. D ISCUSIONES Y CONCLUSIONES ........................................................................... 90

Bibliografa ................................................................................................................... 93

Anexo ........................................................................................................................... 96


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OBJETIVOS

Disear el prototipo de un tribmetro que permita realizar pruebas de desgaste entre

componentes mecnicos con movimiento relativo entre s, mediante un contacto del

tipo anillo sobre bloque.

Construir el prototipo que ser implementado sobre un tribmetro coaxial, tal que a

partir de las muestras ensayadas con el nuevo tribmetro, sea posible medir los

coeficientes de friccin y el desgaste en aleaciones para aplicaciones tribolgicas.


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PRLOGO

Los trabajos realizados en el Holon Institute of Technology de Holon en Israel bajo la

direccin de Rapoport, en donde someten muestras de cobre a pruebas de desgastey se observan los efectos de la transicin de un rgimen de lubricacin

elastohidrodinmico a uno de lubricacin lmite, inspiraron la realizacin del presente

trabajo, el cual servir de base para comprobar que los resultados obtenidos por el

equipo de trabajo de Rapoport son tiles para poder caracterizar algunas

propiedades de los pares tribolgicos.

Este y algunos otros trabajos realizados por el grupo de investigacin al que

pertenecen los autores, pretende emular los resultados obtenidos en otras

publicaciones en donde se hace uso de las curvas de Stribeck para analizar los

resultados obtenidos en pruebas de desgaste bajos diferentes regmenes de

lubricacin. Por tal motivo surge la necesidad de disear y construir un equipo que

permita realizar dichas pruebas.

Este documento incluye el proceso de diseo que se debe seguir para llevar a cabo

la construccin de un tribmetro que permita realizar pruebas de desgaste mediante

una configuracin de contacto mecnico del tipo anillo sobre bloque, buscando

obtener los mejores resultados haciendo uso de todos los recursos disponibles.

El primer captulo contiene una introduccin a los temas que fundamentan el estudio

de las propiedades en los tribopares, tales como la tribologa y sus objetos de

estudio.

En el segundo captulo se muestra la forma en que se relacionan los elementos de la

tribologa para estudiar pares tribolgicos. Se mencionan tambin los principales

motivos que inspiraron llevar a cabo este trabajo, las aplicaciones cotidianas de los

pares tribolgicos y algunos de los tribmetros existentes.

El proceso de diseo y la seleccin de los componentes utilizados en nuestro


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sistema tribolgico vienen incluidos en los captulos tres y cuatro. Se da detalle de la

seleccin de cada componente (material, dimensiones, tipo y diseo), de los clculos

que permitieron llevar a cabo esta seleccin y de las consideraciones necesarias de

cada etapa.

La presentacin del prototipo como resultado del proceso de diseo y los resultados

obtenidos de haber realizado una serie de pruebas con el prototipo, las cuales

permitieron obtener curvas de Stribeck estn incluidos en el captulo 5.

En el ltimo captulo se discuten los resultados obtenidos, tanto de las pruebas de

desgaste como de las pruebas obtenidas del dispositivo mismo. Tambin se discuten

las posibles mejoras que sobre el dispositivo se puedan realizar.


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1.INTRODUCCIN

1.1. TRIBOLOGA

Tribologa es la ciencia que estudia la interaccin entre dos superficies en contacto.Se estudian los fenmenos de friccin, lubricacin y desgaste, donde se involucran

muchas disciplinas que abarcan desde la Fsica y Qumica, hasta la Ingeniera

Mecnica y la Ciencia de los Materiales. As, podemos decir que la tribologa es de

suma importancia tecnolgica.

La tribologa ha estado presente a lo largo de la historia, desde la creacin del fuego

y la invencin de la rueda, hasta hoy en da. Pero fue el 9 de Marzo de 1966 en Gran

Bretaa que la Organizacin para la Cooperacin y el Desarrollo Econmico

considera como ciencia a la tribologa. La tribologa proviene etimolgicamente de

dos races griegas, tribos (frotamiento) y logos (estudio), es decir, se define la

tribologa como el estudio del frotamiento. Formalmente se define a la tribologa

como la ciencia que se encarga del estudio de la interaccin entre dos superficies

que interactan en un movimiento relativo [1].

Con el fin de sistematizar su estudio, la tribologa rene varias disciplinas de la

ingeniera en un solo campo. Vista desde los Procesos de Manufactura, el anlisis

de contacto entre los materiales incluye un anlisis estadstico de las superficies

ingenieriles, las cuales pueden presentar distintos grados de rugosidad dependiendo

el tipo de proceso al que sea sometido. Dentro de la Mecnica de los Materiales, se

estudia la alteracin del relieve producido por dos piezas en contacto mutuo y que

se debe a las deformaciones plsticas y elsticas de los materiales. El estudio de las

interacciones presente entre la deformacin plstica, fractura y estructura cristalina

se ubican dentro de la Metalurgia Fsica y Metalurgia Mecnica, en un rea difusa

entre ellas. En cuanto a la parte de oxidacin (corrosin) presente en los materiales,

est se considera un estudio de la Metalurgia Qumica. Finalmente la lubricacin es

un estudio perteneciente a la Mecnica de Fluidos y, que de igual manera forma

parte de la Ingeniera Mecnica y es de extrema importancia para el estudio de la


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tribologa [2].

La gran importancia de la tribologa se puede apreciar observando el hecho de que

comisiones tcnicas establecidas en pases industrializados han estimado losefectos econmicos que generan los problemas de friccin y desgaste. Se calcula

que hasta un tercio de toda la energa generada en los procesos termodinmicos se

pierde en forma de friccin, de ah la gran importancia econmica que tiene a nivel

mundial la tribologa [2].

La tribologa es crucial para la maquinara moderna que utiliza superficies rodantes

y/o deslizantes, y aunque es un hecho obvio pero fundamental que el objetivo ltimo

de la tribologa radique en el diseo exitoso de mquinas y/o mecanismos, unaforma apropiada de referirse a esta rea es el diseo-tribolgico en donde la friccin,

lubricacin y desgaste juegan un papel importante.

Los diseos actuales de mquinas incluyen un anlisis cinemtico y de resistencia

de los materiales, teniendo presente los anlisis tribolgicos que involucran los

defectos de friccin, desgaste y lubricacin, as como otras consideraciones del

diseo tradicional [3].

Una de las aplicaciones ms comunes que presenta esta disciplina es el diseo de

cojinetes, pero generalmente se encarga de estudiar cualquier caso en el que se

presente deslizamiento o frotamiento de un material respecto a otro, ya que esto

propicia que se presente un contacto complejo en la superficie. [4]

Los avances que se generen en el estudio de la tribologa estn sujetos al diseo de

nuevos equipos e instrumentos de medicin que ayuden en la innovacin de futuras

investigaciones, que complementen en gran medida el uso eficiente de mquinas,

alarguen la vida til de las herramientas y elementos que conforman la maquinaria

aumentando as la eficiencia de los equipos y ayudando a resolver problemas

ambientales, econmicos y tecnolgicos en beneficio del hombre.


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Una observacin derivada de innumerables experimentos y teoras es que la

tribologa comprende el estudio de: 1) Las caractersticas presentes en las pelculas

de material intermedio entre cuerpos en contacto y 2)Las consecuencias de falla, ya

sea de pelcula o ausencia de una pelcula que generalmente son manifestados porla friccin y el desgaste severo [5].

1.1.1. FRICCIN

La friccin siempre ha estado presente en nuestra vida diaria, en acciones tan

comunes que van desde caminar al trabajo hasta incluso pintar una casa, y en la

mayora de los procesos industriales. Actualmente desde un punto de vista

pragmtico, la friccin es el tema central de muchos problemac indstriales, comolos frefos"del auto, la reduccin de vibracin y rtido que traen consigo severos

problemas0econmicos, el gasto dnergtico y el calentamiento en maquinaria por

mencionar algunos.

Es a lo largo de la histori` quE el homBre siempre ha sentido curiosidae por este

fenmeno y, fue el hmbre primitivo el primero e~ utilizar los efectos de la friccin al

crear dl fuego para calentar u comida; tambin se dio cuenta qu era ms fcil

mover objeto3 pesados que se encuentraf cargados por rodilloc que deslizarlos a lolargo, lo que finalmente dara paso a la invencin de la rueda [1].

Durante el renacimiento se realizan las primeras investigaciones sobre gsiccin.

Estas estn atribuidas a Leonardo Da VinCi (1453-1519), quien fue el primerg en

introucir el goncepto de coeficiente de fricCiN como la relacin entre la fuerza de

friccin y la carga normal (Ff=sN). Posteriormente se desarrollan varias teoras

sobre friccin, pero no es sino hast 1699 que el cientfiCo francs Guillaume

Amontons (1663-1705) estableci las primeras leyes sobre friccin conocidas como

las Leyes de Amontons. Cabe destacar que actualmente estas leyes no son del todo

exactas e incluso en algunos de los casos estas no se cumplen. En 1881 Hertz

propone el primer modelo de contacto, mientras que las primeras leyes de desgaste

fueron propuestas por Archard, quien en el ao de 1953 desarrollo lo que seran los


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primeros experimentos sobre discos. Todos estos modelos se basan en la idea de

que mientras ms parmetros se conozcan, ms fcil ser hacer que coincidan los

resultados experimentales [6].

El trmino friccin proviene del verbo en latn fricare que significa frotar. De manera

formal se define a la friccin como la resistencia al movimiento que presenta un

cuerpo sobre otro. Los cuerpos en cuestin pueden ser un gas con un slido (friccin

aerodinmica) o un lquido y un slido (friccin del lquido). La friccin puede

deberse tambin a los procesos internos de disipacin de energa dentro de un solo

cuerpo (friccin interna) [1].

Existen dos tipos distintos de fuerza que actan sobre la friccin:

Fuerza de friccin esttica: si dos cuerpos se encuentran en contacto se

producir una fuerza tangencial requerida para iniciar el movimiento, esta fuerza

se le conoce como fuerza de friccin esttica, y esta siempre es mayor o igual

que la friccin cinemtica.

Fuerza de friccin cinemtica: es la fuerza tangencial requerida para mantener el

movimiento relativo de un cuerpo en contacto con otro.

Se ha demostrado a lo largo de los aos que la friccin afecta de manera

considerable el rendimiento de las mquinas, es por esta razn que las actuales

investigaciones estn orientadas al estudio de materiales que puedan emplearse

como componentes de mquinas y lubricantes, y as reducir los efectos de friccin.

Tres de los efectos que ms perjudican de la friccin son: la prdida de potencia, el

desgaste y el sobrecalentamiento de piezas. Y es que en los motores de combustin

interna entre el 15 y 20% de la potencia se utiliza para compensar las prdidas por

friccin, ya que el continuo rozamiento genera altas temperaturas en la superficie

acelerando el desgaste. Aunque no todo son perdidas, pues permite la friccin, la

transmisin de potencia y la disipacin de energa.


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1.1.2. DESGASTE

El desgaste es una consecuencia de la friccin, se define como el fenmeno de

remocin de material en una superficie debido a la interaccin que existe con otra

superficie en contacto. Normalmente las maquinas van perdiendo su durabilidad y

confiabilidad debido a este fenmeno y, las posibilidades de crear maquinas ms

avanzadas se reducen debido a los problemas generados por desgaste. Es as que,

tener un amplio control de este fenmeno se ha convertido en una necesidad de las

nuevas tecnologas [7].

Se debe tener presente que el desgaste no es una propiedad del material, sino una

respuesta al sistema en contacto que involucra procesos como adhesin, abrasin,fatiga superficial y deformacin plstica acumulada [2]. An si no existe friccin, el

desgaste tambin se puede dar por la presencia de corrosin y la degradacin en los

materiales.

El desgaste puede ser deseable o no. Ejemplos de aplicaciones donde el desgaste

puede ser deseable son el escribir con un lpiz o el pulido de piezas con abrasivos.

En cambio, el desgaste es indeseable en aplicaciones de maquinaria donde por lo

general es importante mantener indefinidamente la forma de las piezas y suintegridad superficial, tal es el caso de los cojinetes, chumaceras, engranes, etc.

El desgaste puede deberse a fenmenos mecnicos y fenmenos qumicos, pero en

todos los casos a excepcin de la fatiga mecnica, el desgaste ocurre mediante

remocin gradual de material en numerosas porciones diminutas que pueden variar

su tamao e ir desde un nivel atmico hasta llegar a las micras [9].

Quizs el reto ms grande en la solucin a problemas de desgaste es anticipar eltipo de desgate a que estarn sometidos los componentes. El material puede ser

removido de una superficie solida de tres maneras: por fusin, por disolucin

qumica o por la separacin fsica de los tomos. Este ltimo mtodo puede ser


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llevado a cabo por la sola aplicacin de un alto esfuerzo o por el esfuerzo cclico a

bajas magnitudes [1].

Actualmente se requiere llevar a cabo un constante monitoreo del desgaste, con elfin de evitar y/o prevenir que se presente este fenmeno en la maquinaria, teniendo

en cuenta que el mantenimiento preventivo solo alargara la vida til de la maquinaria

para que su rendimiento sea mayor y as se eviten los paros repentinos en la

produccin debido al desgaste. En general el desgaste no tiene lugar a travs de un

solo mecanismo, por lo que comprender y analizar cada uno de los mecanismos de

desgaste es de vital importancia.

1.1.3 LUBRICACIN

El objetivo principal de la lubricacin es la separacin de dos superficies con

deslizamiento relativo entre s evitando que se presente desgaste alguno entre ellas

e intentando que el proceso de deslizamiento se efectu con el mnimo de roce, lo

cual se logra a travs de una pelcula lubricante que sirve para evitar que se

presente desgaste entre ambas superficies [7].

Histricamente y gracias a evidencias que han perdurado a lo largo del tiempo, se

sabe que grandes civilizaciones como la egipcia, romana y griega ya empleaban la

lubricacin en sus mquinas, un ejemplo muy claro es el empleo de aceite de oliva

para deslizar pesadas cargas. Sin embargo es importante sealar que es a travs de

la mejora en la fabricacin de elementos metlicos con el inicio de la revolucin

industrial y el aumento en las velocidades de giro en ejes que la lubricacin

comienza a ser estudiada con mayor detalle.

De esta forma se puede definir a la lubricacin como la aplicacin de un medioslido, lquido o gaseoso donde se espera que se presenten friccin y desgaste. El

objetivo del lubricante es el de disminuir la severidad de estos fenmenos mediante

la separacin de las superficies que se encuentran en deslizamiento relativo para as

evitar el contacto entre ambas y disminuir el esfuerzo cortante. Desde un punto de


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vista tecnolgico, la lubricacin no solo involucra los fenmenos que ocurran en la

zona de contacto, tambin analiza los sistemas de alimentacin, presurizacin y

recirculacin de los lubricantes, as como las caractersticas mecnicas, trmicas y

qumicas de los mismos [2]. Su estudio tiene su base en la mecnica de fluidos, latermodinmica, la mecnica de slidos, la ciencia de materiales y la transferencia de

calor.

Se tienen cuatro diferentes tipos de lubricacin que minimizan la friccin y el

desgaste en superficies con deslizamiento relativo entre s:

o Lubricacin hidrodinmica: Es el anlisis detallado de pelculas lubricantes

gaseosas y/o liquidas. En este tipo de lubricacin las pelculas lubricantesbuscan mantener que las superficies slidas opuestas entren en contacto, en

algunos casos suele llamarse a este tipo de lubricacin forma ideal de

lubricacin.

o Lubricacin Elastohidrodinmica: Se presenta en mecanismos donde las

rugosidades de las superficies de friccin trabajan siempre entrelazadas, esto

implica la interaccin fsica entre los cuerpos en contacto y el lubricante lquido.

Durante dicha interaccin las crestas permanentemente se estn deformando

elsticamente. El control del desgaste y consumo de energa dependern de la

pelcula adherida a las rugosidades. Es caso especial de la lubricacin

hidrodinmica.

o Lubricacin slida: Se llama as cuando el lubricante que se utiliza es un slido,

y se recurre a este tipo de lubricacin cuando se producen temperaturas

elevadas, acceso difcil de recirculacin del lubricante lquido, cargas extremas

con vibraciones, presencia de gases, disolventes y cidos. Los lubricantes ms

utilizados en este caso son el bisulfuro de molibdeno y el grafito.

o Lubricacin limite y mixta: Esta forma de lubricacin implica las interacciones

qumicas entre los cuerpos en contacto y el lubricante lquido como ausencia de

cualquier pelcula lubricante, el nico medio fiable de asegurar el movimiento


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relativo es a travs de campos de fuerza magnticos que permitan la separacin

de las superficies opuestas [5].

Aunque el objetivo principal de los lubricantes sea evitar la friccin y el desgaste,esto no siempre se logra por completo. Es importante recalcar que los lubricantes

cumplen algunas otras funciones ya que tambin actan como un medio de

transferencia de calor generado por el continuo contacto de piezas, sirven para

eliminar impurezas generadas por el desgaste en los equipos, protegen de

fenmenos como la corrosin y contribuyen en la refrigeracin de los componentes.

Por esta razn la seleccin de lubricantes debe realizarse dependiendo de la

geometra de los cuerpos en contacto, tomando en cuenta parmetros como larugosidad y la textura de las superficies de deslizamiento, las condiciones

ambientales de trabajo, temperatura y friccin, la composicin de los materiales en

contacto y las propiedades qumicas y mecnicas de los lubricantes a emplear [1].

1.2. NORMAS PARA MEDIR FRICCIN Y DESGASTE

Norm a ASTM G115 10

Gua estndar para medir y reportar el Coeficiente de Friccin: est norma cubre los

parmetros que deben ser considerados para llevar a cabo una prueba vlida de los

coeficientes de friccin dentro de un sistema tribolgico, as como el uso de un

formato estndar para recabar los datos obtenidos a partir de las pruebas de friccin

realizadas. Est norma est orientada hacia materiales slidos y con un mayor

coeficiente de friccin. El objetivo es proporcionar un formato generado a partir de

una base de datos que permita de manera simple establecer los tipos de materiales

y tribosistemas de inters, ya que en l se incluye la informacin necesaria paraseleccionar un mtodo que permita obtener las propiedades de friccin de los

materiales. Este formato debe facilitar el intercambio de resultados obtenidos entre

laboratorios y debe servir de base en la elaboracin de manuales y bases de datos

electrnicos [10].


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Norm a ASTM D2266-91

Esta norma esta aplicada a lubricantes grasos, y se utiliza para determinar las

caractersticas preventivas del desgaste presente en el deslizamiento de dossuperficies metlicas (acero sobre acero). En la prueba para esta norma, tres

esferas de acero se encuentran colocadas en una taza de bolas, que est montada

en sobre una superficie de muestras dentro de una cmara a elevada temperatura.

La taza de bolas se llena con la muestra de lubricante, mientras una cuarta esfera se

mantiene estacionaria en un soporte de bolas superior, el cual est montado en un

sensor que mide el par y la carga, y que se encuentra conectado a un motor que lo

impulsa hacia abajo llevando el soporte al centro de las otras tres esferas

localizadas en la copa de bolas [11].

Figura 1.1. Configuracin de tribmetro de cuatro bolas [11].

Norm a ASTM G181-04

La norma ASTM G181-04 (2009) establece un procedimiento estndar para realizar

ensayos de friccin en un banco de pruebas sobre materiales, recubrimientos y


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tratamientos superficiales destinados a ser utilizados en anillos de pistn y camisas de

cilindros implementados en motores disel o encendidos por chispa bajo ciertas

condiciones de lubricacin.

El objetivo de esta norma es proporcionar una idea preliminar sobre los materiales y

tipos de recubrimientos que pueden ser empleados en la evaluacin de un anillo. Se

reproduce un deslizamiento alternativo para simular el contacto que se produce entre el

anillo de un pistn y el recubrimiento de su acoplamiento ubicado en un punto superior

al centro del cilindro, donde la lubricacin del lquido es menos eficaz provocando un

mayor desgaste. Por esta razn esta norma presta especial atencin en la alineacin de

la muestra y el deslizamiento y estado del lubricante [10].

Norm a ASTM D5707

Esta norma se utiliza paradeterminar las propiedades de desgaste y el coeficiente de

friccin utilizando grasas lubricantes a temperaturas y cargas especificas donde las

aplicaciones suelen presentar vibraciones al arranque, freno o durante largos periodos

de tiempo bajo un contacto entre dos cuerpos elsticos con superficies curvas (contacto

Hertziano) a altas presiones. Los usos van desde la aplicacin de grasas lubricantes en

juntas isocinticas ubicadas en la rueda delantera de algunos automviles hasta la

aplicacin de grasas lubricantes a rodamientos de bolas [10].

Norma ASTM G77

La norma ASTM G77 es un mtodo de prueba estndar que se utiliza para clasificar las

resistencia de los materiales ocasionado por el desgaste presente en superficies en

deslizamiento bajo diversas condiciones utilizando un tribosistema que sigue la

configuracin anillo sobre bloque, donde una muestra estacionaria es presionada contra

un anillo giratorio que aplica una fuerza constante. La friccin entre las superficies de

deslizamiento de los bloques y el anillo resulta en la prdida de material de ambas

piezas. Este tipo de pruebas puede llevarse a cabo utilizando diversos tipos de


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lubricantes segn las cargas, velocidades y temperaturas que simulan las condiciones

de servicio [12].

Norma ASTM G99

La norma ASTM G99 es un tipo de prueba estndar realizada en un banco de pruebas.

Es utilizada para determinar el desgaste de los materiales durante deslizamiento

utilizando un tribmetro que sigue la configuracin pin-on-disk. Las pruebas se

realizan bajo condiciones nada abrasivas, permitiendo tambin poder determinar el

coeficiente de friccin [10].

1.3 COJINETES DE DESLIZAMIENTOLa gran mayora de los diseos industriales de cojinetes deslizantes se desarroll

inicialmente con la idea de crear un soporte que tenga una mayor resistencia a la carga

y una reduccin considerable en la friccin y desgaste. Es por eso que se hace especial

nfasis en la eficacia de la geometra del rodamiento para generar presin y aumentar

as la capacidad de carga [13].

Se entiende por cojinete al elemento que se encuentra entre dos piezas con movimiento

relativo entre s, teniendo como principal objetivo el de minimizar el desgaste, conceder

la transmisin de carga y par, as como disminuir en lo posible los efectos de la friccin

[14]. El cojinete es un cilindro que en su interior cuenta con un eje de dimetro

levemente menor que da como resultado un deslizamiento entre ambos componentes.

El cojinete de deslizamiento es uno de los ms antiguos pero al mismo tiempo es uno

de los ms modernos elementos de mquinas, las formas ms simples de cojinetes de

deslizamiento se utilizan sin lubricacin y es por esta razn que llegan a presentar undesgaste severo. Los cojinetes representan solo una parte de un sistema tribolgico,

por esto, es necesario que componentes como el eje y el lubricante cumplan con los

requisitos que exigen para lograr un buen desempeo [15].


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2.ANTECEDENTES

Cuando una superficie slida se desliza sobre otra se producen los fenmenos de

friccin y desgaste, por lo tanto para reducir estos efectos se habla de un problemade lubricacin. La lubricacin entre dos cuerpos en contacto tiene como finalidad

soportar la presin entre las superficies ayudndolas a separarse y, al mismo tiempo

a reducir la resistencia al deslizamiento. Los regmenes de lubricacin determinan la

efectividad de la formacin de la pelcula y por consiguiente la separacin de las

superficies.

El desarrollo histrico en los descubrimientos de los regmenes de lubricacin

presentes en superficies lubricadas de contacto deslizante ha sido objeto de estudio

desde hace ya mucho tiempo. A lo largo del tiempo se encontr que la relacin

funcional entre el coeficiente de friccin, el producto de la velocidad de deslizamiento

y la viscosidad de los lubricantes divididos entre la carga normal se conoce como el

nmero de Stribeck.

2.1. VISCOSIDAD

Uno de los parmetros que juega un papel fundamental en la lubricacin, es laviscosidad del fluido que se encuentra en operacin. Para aplicaciones en

ingeniera, la viscosidad del aceite se elige principalmente para dar un rendimiento

ptimo en la temperatura requerida. La viscosidad tambin puede verse afectada por

las velocidades de operacin. Por lo tanto el conocimiento de la viscosidad como

una de las principales caractersticas en los lubricantes, se vuelve importante en el

diseo y comportamiento de un sistema lubricado.

La viscosidad de un fluido es una propiedad importante en el estudio de su flujo, es

as que se define a la viscosidad como la propiedad de un fluido mediante el cual

este ofrece resistencia al esfuerzo cortante. La resistencia de un fluido al corte,

depende de su cohesin y de la tasa de transferencia de momento angular; por

consiguiente, la cohesin parece ser la causa predominante de la viscosidad en un


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lquido, mientras que en un gas las fuerzas de cohesin son muy pequeas [18]. La

viscosidad se puede clasificar como dinmica o cinemtica

Viscosidad dinmica.

Al tener dos superficies planas separadas por una capa de lubricante con un espesor

h. La fuerza requerida para mover la superficie superior es proporcional al rea

lubricada 'A' y la velocidad de 'u', es decir:

F A u

Ec. 2.1

Supongamos que la pelcula de fluido que separa a las superficies se compone de

un nmero de capas infinitamente delgadas. Al comparar dos pelculas de diferente

espesor formadas por capas equidistantes, si la velocidad superficial se mantiene sin

cambios en estos dos casos, una sola capa en la pelcula ms gruesa se someter a

menos deslizamiento relativo que en la pelcula ms delgada, por lo tanto los

gradientes de velocidad para estas dos capas sern diferentes.

Dado que la pelcula ms gruesa contiene ms capas individuales, se requiere de

una menor fuerza para separar una sola capa, por lo cual la resistencia viscosa

variar como el recproco del espesor de la pelcula (1/h). La fuerza necesaria para

mover la superficie superior es por lo tanto:

F A u/h

Ec. 2.2

Esta relacin es vlida para la mayora de los fluidos. Diferentes fluidos exhibirn

una proporcionalidad constante diferente , llamada viscosidad dinmica, y viene

expresada como:


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F = A u / h

Ec. 2.3

Reacomodando la ecuacin:

= (F/A) / (u/h)

Ec. 2.4

= / (u/h)

Ec. 2.5

Donde: : es la viscosidad dinmica Pa, : esfuerzo cortante en un fluido Pa, u/h: es

la razn de corte del gradiente de velocidad normal al esfuerzo cortante s-1.

Viscosidad cinemtica

Se define como la relacin existente entre la viscosidad con la densidad de masa.

Ec. 2.6

Donde: es la viscosidad cinemtica m2/s, : es la viscosidad dinmica Pa, : es la

densidad del fluido kg/m3.

2.2. CURVAS DE STRIBECK

La curva de Stribeck se utiliza para clasificar las propiedades de friccin entre dos

superficies, para el diseo de cojinetes y para observar los efectos producidos en los

diferentes regmenes de lubricacin. A travs de la curva de Stribeck se pueden

observar las caractersticas generales de superficies lubricadas con movimiento


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23

relativo entre ellas.

Fue entre 1900 y 1902 que Stribeck realiza los experimentos sistemticos para

medir la fuerza normal (f) en cojinetes en funcin de la velocidad de giro (N), de lacarga por unidad de rea proyectada (P) y de la viscosidad.

La curva de Stribeck representa las caractersticas generales de superficies

lubricadas en movimiento relativo entre s.

La expresin:

Ec. 2.7

Es conocida como el nmero de Sommerfeld, en donde Ny Pse mantienen constantes

para representar la relacin que existe entre la viscosidad del fluido y el coeficiente de

rozamiento f.

Figura 2.1 Curva de Stribeck [19]


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24

La curva caracteriza un punto de friccin determinado donde se pueden modificar los

siguientes parmetros y ver su incidencia en el coeficiente de friccin. Partiendo de un

punto ubicado sobre la curva entre los puntos C y D, correspondiente al punto de

diseo de cualquier mecanismo. Al situar nuestro punto real entre C y D estamosevitando acercarnos a la zona EP (extrema presin) situada a la izquierda de C, el Cf

(coeficiente de friccin) crece de forma incontrolada llegando a daar los elementos o a

forzar el desprendimiento de virutas metlicas que van al flujo del aceite y que sirven

como abrasivo en otros puntos de friccin [18].

En la curva se pueden presentar tres variaciones:

Que aumentando la presin nos desplazamos hacia la izquierda y es entoncesque podemos caer en la zona EP y presentar las consecuencias ya comentadas.

Al reducir la velocidad (arranque, parada e inversin del movimiento) nos

desplazamos tambin a la izquierda.

Reduciendo la viscosidad, el efecto es el mismo.

Cuando se logra tener una mejora en la capacidad de lubricacin, estamos

desplazando la curva de Stribeck de forma paralela hacia la izquierda, reduciendo la

zona EP (izquierda de C) consiguiendo as reducir lo crtico de las tres variaciones

antes mencionadas.

Si bien la expresin de la curva de Stribeck es un indicador del comportamiento de la

lubricacin para diversos elementos mecnicos, no representa en su totalidad el ciclo

completo ocurrido en un motor de combustin interna debido a que la velocidad del

pistn y la presin de contacto entre ste y el cilindro varan. Por esta razn Ting L.L.

(1993), introdujo el diagrama de Stribeck de tipo bucle (the looping-type Stribeckdiagram) (ver figura 2.2), en el cual remplaza en el nmero de Sommerfeld la

velocidad de rotacin del cojinete por la velocidad instantnea del pistn, e introduce

una longitud de referencia como es el ancho o espesor del segmento. Dicho diagrama


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25

permite medir la variacin de la lubricacin entre el pistn y el cilindro durante cada

ciclo .

Figura 2.2. Curva de Stribeck tipo bucle [19]

2.3. TRIBMETROS

2.3.1. IMPORTANCIA DE LOS TRIBMETROS

El trmino tribologa, adems de su carcter colectivo que describe al campo de la

friccin, lubricacin y desgaste, tambin podra ser utilizado para introducir un nuevo

trmino, el tribodiseo[3].

Se considera al tribodiseo como una rama del diseo de nuevos materiales de

mquinas que se encargara del anlisis y diseo, sobre todo de aquellos elementos de

maquina donde la friccin, lubricacin y desgaste juegan un papel importante. Y es que

el tribodiseodebe conducir a nuevos y ms eficientes diseos para los diversos tipos

de maquinaria.


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Los tribmetros son instrumentos nicos diseados para llevar a cabo y con muy alta

precisin la medicin de una fuerza. Industrias como la aeroespacial, la automotriz, el

diseo de herramientas, donde las fallas pueden llegar a ser catastrficas se han

beneficiado de la capacidad de medicin y precisin de los tribmetros durante aos.Versiones ms especializadas de tribmetros se han diseado para operaciones de

altas y bajas temperaturas, y pruebas al alto vaco.

El tribmetro como la curva de Stribeck, argumentan que la friccin es dependiente de

la viscosidad, la velocidad y la carga, es por eso que el propsito del diseo de

tribmetros y el estudio de la tribologa es en primera instancia minimizar y eliminar las

prdidas, resultado de la friccin y el desgaste, logrando un importante ahorro en costos

dando paso a un crecimiento industrial mayor [20].

Una de las principales causas que limitan el uso de estos equipos, es el elevado costo,

as como una restriccin de pruebas que se puedan realizar con l y al tipo de muestras

para las que fue diseado. Por esta razn se vuelve bastante complicado conseguir un

equipo que se ajuste a las necesidades del investigador, y que en la mayora de los

casos al contar con un equipo importado, no se garantiza que en caso de que se

presenten fallas, se cuenten con refacciones disponibles o personal capacitado capaz

de solucionar el problema en un corto tiempo.

2.3.2 DEFINICIN

Se entiende por tribmetro al equipo mediante el cual es posible determinar la

resistencia al desgaste de un material cuando se encuentra en contacto con otro y entre

ellos existe movimiento relativo, en un determinado tiempo. Mediante un tribmetro es

posible llevar a cabo pruebas y, simulaciones de friccin, desgaste y lubricacin [21].

Las investigaciones tribolgicas y los avances tecnolgicos de sistemas que permiten

simular los distintos tipos de mecanismos de friccin y desgaste, han hecho posible la

construccin de nuevos tribmetros.


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Durante la prueba la friccin ocurre entre un cilindro rotativo y otro esttico cuyos ejes

estn dispuestos perpendicularmente. El ensayo puede realizarse a diferentes

materiales, siempre y cuando las dimensiones especficas puedan lograrse y que

soporten los esfuerzos producidos durante la prueba sin fallar y sin mostrar flexinexcesiva, adems debe conocerse su composicin, tratamientos trmicos a que se

haya sometido y su dureza [23].

El equipo consta de una transmisin por correa, una porta-probeta (para sostener la

probeta rotatoria), un brazo (para sostener la probeta esttica) y un sistema que permita

a la probeta esttica estar siempre en contacto con la probeta rotatoria con la aplicacin

de una carga controlada, como se ilustra en la figura

Figura 2.3. Mquina de cilindros cruzados [22]

Mqu ina d e Perno con tra Dis co A STM G-99

Esta mquina es usada para pruebas de desgaste, en ella el perno se coloca

perpendicularmente a un disco giratorio. Las variables que rigen las pruebas son la

carga normal, la velocidad de deslizamiento, la atmsfera y la temperatura ambiente.

La cantidad de desgaste puede establecerse pesando el perno en una balanza

analtica [24].


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Figura 2.4. Perno contra disco ASTM-G-99 [20]

Para ensayos de desgaste hechos en mquinas del tipo perno sobre disco, se

requieren dos variables. Se posiciona un perno con una punta hemisfrica

perpendicular al disco. La trayectoria del deslizamiento es un crculo a travs de la

superficie del disco. El plano del disco puede orientarse horizontal o verticalmente. El

perno normalmente se coloca contra el disco a una carga dada por medio de un brazo o

palanca, al que se le agrega una determinada carga.

Este sencillo mtodo facilita la obtencin y el estudio de la friccin y el comportamiento

de desgaste en casi todas las combinaciones de material en estado slido, con

posibilidad de variar en el tiempo, la presin de contacto, la velocidad, la temperatura, la

humedad, la lubricacin, entre otras.

Los resultados de las pruebas se reportan individualmente, como la prdida de volumen

en milmetros cbicos para el perno y el disco. Se recomienda que cada material se

ensaye en ambos roles, como perno y como disco. La cantidad de desgaste se

determina, midiendo dimensiones lineales apropiadas de ambas variables antes y

despus de la prueba, o pesando ambos especmenes. Si se usan medidas lineales de

desgaste, el cambio de longitud o cambio de la forma del perno y la profundidad o

cambio de la forma de la huella de desgaste del disco (en milmetros), se determina por


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Figura 2.5. Bloque sobre anillo [23].

2.4. ENSAYOS TRIBOLGICOS

El objetivo de los ensayos tribolgicos es llevar a cabo una investigacin fundamental

en los mecanismos bsicos de friccin y desgaste. Dicha investigacin debe permitir

ampliar el conocimiento general sobre el comportamiento que presentan los materiales

utilizados en aplicaciones tribolgicas especficas.

Los ensayos tribolgicos pueden realizarse en una gran variedad de formas las cuales

no solo dependen del par de materiales que se someten a estudio, sino que tambin

dependen en gran medida del sistema mecnico en las que sern utilizados. Es

conveniente clasificar el comportamiento tribolgico de los materiales dependiendo de

las propiedades del material, las condiciones reales de operacin, tiempo y costo ya

que para algunas pruebas o en algunos ensayos tribolgicos la simulacin no es una

prioridad [26].

Por ejemplo, si se requiere llevar a cabo pruebas para evaluar el comportamiento

tribolgico de un sistema cilindro-pistn en un motor de combustin interna de un

automvil y al mismo tiempo obtener una mayor similitud con las condiciones reales de


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operacin, se podran realizar pruebas de campo donde se ponga en funcionamiento el

automvil completo. Sin embargo resulta muy costo realizar una serie de pruebas as.

Se pueden llevar a cabo la los ensayos haciendo uso del automvil completo mediante

un banco de pruebas donde puede ser evaluado con un mejor control. Una forma dereducir los costos, es evaluando un subsistema haciendo uso nicamente del motor del

automvil logrando con ello un mejor control de pruebas en un laboratorio.

Simplificando an ms las pruebas se pueden evaluar nicamente las partes del motor

que estn sujetas a estudio, sin tener presentes aspectos claves del funcionamiento del

sistema los cuales s es posible tener presentes en una prueba de campo o en una

prueba de banco con el auto completo. Debe tomarse en cuenta que aunque la prueba

de banco tenga gran similitud con una de campo siempre habr algunas modificacionesque alteran al sistema o bien que pueden afectar las condiciones de ensayo de manera

significativa, por tal razn con un modelo de prueba simplificado es posible evaluar el

comportamiento de una gran cantidad de materiales de una manera fcil, rpida, no

muy costosa y bajo condiciones muy bien controladas [26].

Otra clasificacin ms que se le puede dar a los ensayos tribolgicos es con respecto al

tipo de contacto que presentan, estas pueden ser cerradas: si la superficie tiene una

trayectoria cclica y abiertas: si la trayectoria de deslizamiento se renuevaconstantemente.

Debido a tiempo y costos, esta clasificacin de ensayos tribolgicos se origina por el

deseo de evaluar nuevos materiales y nuevos diseos de uno o dos componentes ya

existentes en mquinas.

Es importante hacer hincapi en que las pruebas base en laboratorios estn diseadas

con el objetivo de obtener rpidas tasas de desgaste mediante pruebas a condicionesextremas como velocidad, presin, temperatura o una combinaciones de estas.


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2.5. EXPERIMENTOS PREVIOS SOBRE DESGASTE Y MUESTRASTRIBOLGICAS

La tribologa es una rama relativamente nueva de la ingeniera y hasta hace pocos aos

la parte correspondiente a la ciencia de materiales se ha tratado sobre todo de una

forma muy emprica.

El presente trabajo se desarroll con el objetivo de obtener las curvas de Stribeck para

compararlas con trabajos previamente realizados por el grupo de trabajo de Rapoport,

en los que se estudian los efectos en el tamao de grano y las condiciones de

lubricacin producidas sobre nuevas aleaciones de materiales utilizados en pares

tribolgicos.

En los experimentos realizados por Rapoport en el Holon Institute of Technology en

Holon, Israel [27] se estudia la evolucin del desgaste y la friccin sobre superficies de

Cu con diferentes tamaos de grano y bajo diferentes condiciones de lubricacin. Se

analiza tambin el cambio en la estructura de las subcapas del Cu durante la friccin a

diferentes condiciones de contacto demostrando que la estructura de grano ultra fino

mejora las propiedades tribolgicas de las superficies de Cu mediante friccin seca. En

dichas investigaciones, se concluye que los efectos en el tamao de grano en el Cu apartir de la aplicacin de diferentes cargas a diferentes velocidades de deslizamiento

provocan una transicin en el rgimen de lubricacin al pasar de una de una zona de

lubricacin elasto-hidrodinmica (LEH) a una de lubricacin de frontera (LF) bajo

valores definidos de lubricacin y, que esta transicin depende de la microestructura del

Cu. Se demuestra que el estado de friccin constante en la zona LEH se caracteriza por

los bajos valores del coeficiente de friccin (= 0.01-0.04) para las muestras de Cu con

diferentes tamaos de grano y que la zona de LF est asociada con la deformacin

severa ocurrida alrededor de las grietas, donde se producen altos valores de coeficiente

de friccin y desgaste [27].


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3.DISEO Y MANUFACTURA

3.1 DEFINICIN DEL PROCESO DE D ISEO

Disear es pensar antes de hacer, analizar, planificar y ejecutar para responder a lasnecesidades de los usuarios, herramienta estratgica para la mejora de la

competitividad en las empresas. Visto desde el mbito ingenieril, el diseo de ingeniera

se vincula con la concepcin de sistemas, equipos, componentes o procesos con el

objetivo de satisfacer una necesidad y concluye con la documentacin que define la

forma de dar solucin a dicha necesidad [28].

Fas es del D is eo Mecnic o

Existen en la actualidad una diversidad de fases o procesos de diseo, algunos que en

un solo paso conjuntan diversas actividades y otros que desarrollan paso a paso cada

uno de estas, pero sin duda aquel que se vincula ms al diseo de ingeniera es el

propuesto por Robert Norton. Proceso de diseo que involucra diez etapas [29].

1. Reconocimiento de la necesidad

2. Investigacin previa

3. Planteamiento del objetivo

4. Especificaciones de desempeo

5. Generacin de ideas e invencin

6. Anlisis

7. Seleccin

8. Diseo de detalle

9. Creacin de prototipos y pruebas

10. Produccin

Se debe tener presente que el proceso de diseo no es meramente lineal y una de sus

caractersticas fundamentales es su obligada iteratividad. Por ello el proceso de diseo


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tiene que estar orientado a la realizacin de cambios, de manera que stos impliquen el

menor tiempo y costo posible.

Para poder llegar a la etapa de produccin es muy importante contar con un prototipoanalizado y probado, mismo que deber cumplir con todas las especificaciones

requeridas para llevar a cabo su fabricacin. Una vez que se tenga dicho prototipo,

debern analizarse los procesos de manufactura necesarios para determinar cul de

ellos es conveniente utilizar en la fabricacin del producto.

El presente captulo tiene el enfoque de desarrollar nicamente las primeras siete

etapas del proceso de diseo de Norton [29], dejando para captulos posteriores las

etapas 8 y 9. El objetivo de este trabajo es meramente acadmico y no implica llevar laproduccin a gran, mediana o pequea escala del tribmetro. Por lo anterior, la dcima

etapa de Norton no se incluir aqu. Solo es necesario contar con un prototipo para

realizar pruebas y hacerle modificaciones que mejoren su desempeo.

3.2. PROCESO DE DISEO

3.2.1. RECONOCIMIENTO DE LA NECESIDAD

El desgaste ocasionado por la friccin entre dos superficies en contacto es uno de losprincipales problemas que se enfrenta en la industria, por lo que surge la necesidad de

utilizar y, en su caso, crear materiales con mejores propiedades tribolgicas y sistemas

lubricantes que permitan reducir en tiempo y costo los daos ocasionados por el

desgaste.

Esto deriva en la necesidad de disear un equipo que permita recrear las condiciones

de operacin de un sistema o par tribolgico de tal forma que pueda ajustarse a las

necesidades y especificaciones del investigador.

3.2.2 INVESTIGACIN PREVIA

Esta etapa tiene como fin llevar a cabo una bsqueda exhaustiva de la informacin

relacionada con el tema. La informacin obtenida de dicha investigacin est incluida


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en los primeros dos captulos.

3.2.3 PLANTEAMIENTO DE LOS OBJETIVOS

Con un conocimiento ms amplio sobre el tema es posible ahora definir el problemaque se enfrenta. Se sabe que es posible construir un tribmetro para un caso de estudio

especfico, pero para hacerlo primero es necesario definir cules sern las condiciones

de operacin a las que estar sujeto.

El objetivo del presente trabajo es realizar el diseo y manufactura de un prototipo de

tribmetro del tipo anillo sobre bloque que permita simular pruebas de desgaste sobre

un par tribolgico, y que mediante este sistema, sea posible observar la variacin del

coeficiente de friccin con variaciones controladas de la velocidad del contacto,

viscosidad del lubricante o carga aplicada.

3.2.4 ESPECIFICACIONES DE DESEMPEO

Aqu se definen los parmetros a los que se debe ajustar el diseo del mecanismo sin

tener presente la forma final del mismo, es decir, solo es necesario definir qu se

espera obtener del mecanismo.

Figura 3.1. Anlisis de cuerpo libre sobre una configuracin de contacto del tipo anillo

sobre bloque


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La configuracin que sigue el equipo es bsicamente del tipo de contacto mecnico

anillo sobre bloque como se muestra en la figura 3.1. Donde un disco de radio R es

puesto a girar mediante un par P que deber permitir que al disco comprimir y

desgastar una probeta, mientras que una carga una carga F es aplicada sobre laprobeta.

El mecanismo debe contar con un sistema que permita aplicar una carga controlada,

precisa y variable en un rango de 0 a 1100 Newtons.

El mecanismo debe permitir implementar un sistema de lubricacin que permita

aplicar un flujo constante de lubricante.

El mecanismo debe contar con un sistema que permita hacer girar el disco bajo una

velocidad controlada.

El mecanismo se implementar en un tribmetro coaxial en uno anillo sobre bloque.

Por esta razn es importante que el mecanismo sea compacto y de bajo peso.

Debe ser un mecanismo de fcil operacin, montaje y que pueda ser operado

preferentemente por una sola persona.

Figura 3.2. Tribmetro Coaxial en que se implementar el dispositivo de carga [30].


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3.2.5 GENERACIN DE IDEAS E INVENCIN

En esta etapa se desarrollar un anlisis crtico del total de las ideas generadas, y de

los productos similares ya existentes, debiendo responder cada idea a una necesidad,

manifiesta o latente del sistema tribolgico.

Conf iguracin del sistema de carga

Esta seccin abarca las ideas generadas, las propuestas analizadas y las diferentes

formas en que es posible llevar a cabo el contacto entre muestra y disco de desgaste.

Es necesario contar con un sistema que permita aplicar una carga P (Figura 3.1) sobre

la muestra en un rango de 0 a 1100 N.

Existen diversos mecanismos para aplicar una determinada carga. Debido a la

configuracin del equipo y a la simplicidad de las pruebas, el mecanismo debe permitir

aplicar cargas variables de forma mecnica y que puedan controlarse de forma manual;

esto atiende a la necesidad de cumplir con la adaptabilidad en el sistema coaxial y la

operabilidad del sistema. Algunas otras caractersticas que debe seguir el diseo son:

a) Ser preciso, pues cualquier alteracin daara el ensayo.b) Debe poder trabajar bajo una carga controlada y de fcil aplicacin.

c) Debe evitar que se generen vibraciones extremas.

d) Debe tener las dimensiones que permitan su adaptabilidad al sistema coaxial.

Una de las formas ms comunes que existen para aplicar cargas es mediante el uso de

tornillos de potencia, mediante los cuales es posible transformar un movimiento de

rotacin en un movimiento rectilneo con el objeto de trasmitir fuerza o potencia. Para

poder hacer uso de este equipo, es necesario contar con un sistema deretroalimentacin que permita al equipo aplicar una carga constante en todo momento.

Debido a la importancia de contar con un sistema de retroalimentacin para el uso de

este est mecanismo, esta posibilidad se descarta.


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Otra forma que existe para aplicar cargas es a travs de un mecanismo de palancas

que multiplica la carga dependiendo de la relacin que se tenga en el brazo de palanca.

Por ejemplo, se puede lograr que con una masa total de 10 kg se pueda aplicar una

carga de 1000 Newtons. En la figura 3.3 se muestra un sistema de carga en el cual seaplica una fuerza F a travs del mecanismo de palanca. La ventaja de utilizar este

mecanismo es que es posible obtener elevadas cargas aplicando cargas relativamente

pequeas.

Figura 3.3. Sistema de carga basado en una configuracin de palanca simple

En la figura 3.4 se tiene una variante del esquema anterior, en donde se observa un

sistema doble de palancas. Se propone el uso de este sistema, ya que permite un

mayor control y un mejor desplazamiento del portamuestras, haciendo que la carga

siempre se mantenga vertical y uniforme. La masa aplicada estar definida por la

relacin que se tenga en el brazo de palanca y, ya que se trata de un sistema doble de

palancas, la carga a utilizar se reducira a la mitad. La fuerza deber ser transmitida a

travs de las palancas permitiendo as presionar a la muestra contra el disco. Este

sistema es prctico y es muy comn encontrarlo en algunas bsculas comerciales que

para elevadas cargas hacen uso de pesas muy pequeas.


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Figura 3.4. Sistema de carga basado en una configuracin de doble palanca.

Conf iguracin del porta muestras y perno d e desgaste

El equipo deber ser capaz de recopilar una serie de datos a partir de diferentes

muestras bajo diferentes condiciones para obtener resultados confiables y as poder

caracterizar de mejor manera las propiedades de los materiales. Es importante que en

el equipo los componentes del par tribolgico (muestra y disco de desgaste) puedan ser

sustituidos con facilidad, haciendo posible el estudio de diferentes materiales.

Estos componentes del tribmetro deben permitir la adecuada sujecin de la muestra,

as como permitir su fcil remocin, sin que esto tenga efecto sobre los ensayos, ya queestos requieren de un gran nmero de muestras y tomando en cuenta que el actual

diseo deber ser montado y ajustado a un tribmetro coaxial. Es importante considerar

tambin el hecho de que los componentes que conforman al tribmetro cuenten con las

dimensiones necesarias para poder montar y desmontar el equipo con facilidad del

tribmetro coaxial.

Portamuestras: para un sistema de elevacin y transformacin de carga, constituido por

un mecanismo de doble palanca, es necesario que el portamuestras cuente con un par

de ranuras que permitan articularlo a los brazos de palanca. Adems se requiere

restringir su movimiento para que sea nicamente en direccin vertical. Una forma de

lograrlo es con el uso de barras gua que pasan a travs del portamuestras. El espacio

para alojar las muestras debe ser de fcil acceso, siguiendo la geometra de las


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probetas y teniendo la adecuada para la sujecin de las muestras durante los ensayos.

La figura 3.5 muestra una propuesta de portamuestras, ya que durante el proceso de

diseo podemos estar sujetos a posibles cambios en su geometra.

Figura 3.5. Configuracin de portamuestras

Disco de desgaste: Otra pieza clave en el desarrollo de las pruebas es el perno

encargado de realizar el desgaste. Como el tribmetro coaxial sobre el que est

montado el mecanismo ya cuenta con un sistema de sujecin para pernos de desgaste,

ser necesario contar con un disco que se adapte a la forma actual del portapernos que

se encuentra en el tribmetro coaxial. En la figura 3.6 se aprecia una posible propuesta

de disco de desgaste.

Figura 3.6. Configuracin del perno de desgaste


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Sistema de lu bricacin

Actualmente existe en el mercado una gran variedad de sistemas de lubricacin, los

cuales pueden ser ajustados en base a la necesidad requerida; sin embargo, debido a

las restricciones de espacio y dems necesidades del diseo, se ha optado por

implementar en el equipo un sistema de lubricacin simple que consiste de una bureta

montada sobre un soporte universal, la cual deber aplicar un flujo constante de

lubricante sobre la zona de contacto entre disco y muestra.

3.2.6 ANLISIS DE PROPUESTAS .

En esta parte del diseo se analizan cada una de las propuestas mencionadas

anteriormente, considerando sus ventajas y desventajas. Este anlisis proporciona la

informacin suficiente para que en la etapa siguiente se cuente con los criterios

necesarios para seleccionar las ideas que permitan desarrollar a detalle la construccin

del tribmetro.

Hasta ahora slo se han presentado bocetos de las diferentes propuestas sin tener

presente los esfuerzos a los que ser sometido cada componente, por lo tanto para

poder realizar un anlisis ms detallado de cada propuesta es importante tomar en

cuenta las siguientes consideraciones:

El tribmetro coaxial donde estar montado el sistema cuenta con un espacio

disponible de 50 mm a lo ancho por 200 mm o ms a lo largo, expandindose

libremente sobre el eje vertical.

La carga mxima que se aplicar sobre la muestra debe estar en un rango cercano

a los 1000 N (10%).

Anlisis s ob re la conf igur acin del equip o

Esta especificacin muestra cul es el principio bsico de funcionamiento de todo el

sistema. No fue necesario analizar algunas otras propuestas, ya que en un inicio se

plante que l equipo deba cumplir con estas caractersticas.


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Figura 3.7. Configuracin del tribmetro coaxial sobre el cul se montara el tribmetro

anillo sobre bloque

Anlisis so bre el sistem a de carga

Para aplicar la carga sobre la muestra se analizaron tres diferentes propuestas. La tabla

siguiente muestra una comparacin sobre las ventajas y desventajas que ofrece el uso

de estos sistemas.

Propuesta Ventajas DesventajasMecanismo depalanca simple

Diseo simple, de bajopeso y compacto

Mantiene una carga casiconstante

Se requiere manipular bloquespesados

Mecanismo dedoble palanca

Se puede conocer lamagnitud de la cargaaplicada

Menor nmero de pesas

Diseo ms elaborado Mayor peso y

dimensiones

Tornillo depotencia

La carga se aplicafcilmente Se puede variar la

magnitud de la carga

Se requiere de un sistemade retroalimentacin

Tabla 3.1. Cuadro comparativo de las diferentes propuestas de sistema de transmisin

de carga


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Anlisis so bre la config urac in del portam uestras

El uso de esta configuracin de portamuestra garantiza que el desplazamiento solo

ocurre en una sola direccin, hacindolo ms preciso. Este diseo es de manufacturacompleja.

Anlisis para las especif icacio nes restantes

Para las especificaciones restantes no se requiere de un anlisis detallado, pues ya se

especificaron cules sern los componentes necesarios que se implementaran en el

sistema. No habr ninguna limitante que obligue a considerar la construccin de otro

sistema.

3.2.7 SELECCIN DE PROPUESTAS .

En esta etapa se seleccionan las propuestas bajo las cuales ser posible la

construccin del prototipo. Se resalta la importancia de haber llevado a cabo

correctamente todas las etapas anteriores, siempre considerando y analizando las

mejores propuestas. Es necesario que todas las decisiones tomadas estn plenamentefundamentadas en las etapas anteriores, ya que stas afectaran directamente el

desempeo y construccin del prototipo.

Es muy importante tomar en cuenta que aunque se tomen las decisiones correctas,

esto no implica un ptimo desempeo del sistema, ya que como se mencion

anteriormente, el proceso de diseo no es meramente lineal y una de sus

caractersticas ms fundamentales es la iteratividad, por lo tanto es posible que una vez

construido el prototipo sea necesario modificar alguna de sus partes e incluso volver a

disear el prototipo por completo.


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Seleccin del sistem a de carga

La primera consideracin, fue utilizar un sistema de carga por palancas, pues este

sistema permite obtener y variar cargas relativamente altas aplicando cargas mspequeas.

Seleccin del po rtamuestras

El portamuestras seleccionado est diseado con base en el uso del sistema de

aplicacin de carga. Este modelo ser capaz de soportar la carga aplicada por el disco

las palancas.


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4.DISEO DE DETALLE

El diseo de detalle como penltima etapa del proceso de diseo involucra una serie de

clculos con la finalidad de dimensionar correctamente cada pieza y as poder definir sugeometra, y con base en esto decidir si el proceso de manufactura puede llevarse o no

a cabo con los recursos disponibles.

Es muy importante que dentro de las especificaciones realizadas se considere no slo

la geometra de la pieza, sino tambin el tipo de material, el acabado superficial y las

tolerancias, pues mientras ms detallada sea est etapa, mejores resultados se

obtendrn de la construccin del dispositivo.

El primer paso que se sigue para conocer las dimensiones del dispositivo es conocer

las fuerzas a las que estar sujeto. Uno de los parmetros que caracteriza este sistema

es la potencia del motor.

La potencia entregada por el motor es disipada por la friccin generada entre el perno y

la probeta y las prdidas por friccin en la transmisin de potencia. Es importante tomar

en cuenta que lo que se desea en cualquier mquina, es minimizar las prdidas por

friccin.

4.1. CLCULO DE LA POTENCIA DEL MO TOR

Los siguientes clculos sirven para determinar cul es la potencia requerida debido a la

friccin generada en los pernos.

La potencia mecnica viene dada por la siguiente expresin:

Ec. 4.1


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Donde: es la potencia mecnica en Watts, Tes el Par Nm y la velocidad angular

rad/s.

En la figura 4.1 se tiene una configuracin de contacto mecnico del tipo anillo sobrebloque, donde una fuerza N aplicada sobre el perno genera un esfuerzo de contacto

sobre la probeta. En 1881 este tipo de contacto fue calculado por H. Hertz.

Figura 4.1 Diagrama de cuerpo libre en una configuracin del tipo anillo sobre bloque.

En la figura 4.2 se muestra el contacto generado por un cilindro de radio R y una

superficie plana, donde el rea de contacto b est definida de la siguiente manera:

Ec. 4.2

Donde: b es el del rea de contacto en mm2, F es la carga aplicada en N y E*es el

mdulo elstico efectivo [m2

/N], la cual se calcula:

Ec. 4.3


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Figura 4.2. Contacto Cilindro-Plano

Donde: 1: es la relacin de Poisson de la esfera, E1: es el Mdulo elstico para la

esfera,

2: es la relacin de Poisson para la superficie plana y E2: es el Mdulo elsticopara la superficie plana.

El radio efectivo se define:

Ec. 4.4

Para el contacto generado entre un cilindro y una placa plana, se tiene la siguiente

relacin:

Ec. 4.5

El esfuerzo de contacto generado entre el cilindro y la placa plana se calcula:

Ec. 4.6


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Donde: (r):es la distribucin de esfuerzos en funcin de la distancia r, 0: es el

esfuerzo mximo en Pa.

Ec. 4.7

La ecuacin 4.7 es vlida no solo para el contacto entre una esfera y una placa plana,

sino tambin para el contacto entre dos esferas y una esfera sobre una ranura esfrica.

Rescribiendo la ecuacin 4.7:

Ec. 4.8

Con base en la figura 4.3 se calcula el par necesario para mantener la velocidad

angular aplicada siguiendo la siguiente ecuacin:

Ec. 4.9

Con df igual a:

Ec.4.10

Donde: : Es el coeficiente de friccin.


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Ec. 4.14

Y sustituyendo la ecuacin 4.14 en la 4.10 tenemos:

Ec. 4.15

Replanteando la ecuacin 4.9 a partir de la ecuacin 4.15:

Ec. 4.16

Como no se tienen variables dependientes de , podemos reescribir la ecuacin

anterior como sigue:

Ec. 4.17

Sustituyendo la ecuacin 4.8 en la ecuacin 4.17 tenemos:

Ec. 4.18

Aplicando un cambio de variable, se define:


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52

y

Analizando las condiciones de frontera

Si , y si , se tiene lo siguiente:

Ec. 4.19

Sustituyendo la ecuacin 4.3 en la ecuacin 4.19:

Ec.4.20


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53

La potencia se encuentra en funcin de la carga F, la relacin de Poisson y los mdulos

elsticos de los materiales a ensayar, el radio del perno y el coeficiente de friccin.

Para realizar los clculos se consider que las muestras fueran de aluminio y hierropuro, y as poder calcular el par necesario.

Propiedades del aluminio puro: v1 = 0.33, E1 = 68 GPa

Propiedades del hierro puro: v2 = 0.291, E1 = 200 GPa

Con: F = 4000 N, R1= 25 mm y = 0.47

De la ecuacin (4.3):

De la ecuacin 4.20:

Para poder calcular la potencia del motor su mximo rgimen de giro ser 100 (RPM),

por lo que la velocidad angular para este caso ser:


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54

Finalmente la potencia del motor necesaria para aplicar el par antes calculado se

calcula de la siguiente forma

4.2 DISEO DEL S ISTEMA DE CARGA

El mecanismo seleccionado se basa en un sistema de palancas como el que semuestra en la figura 4.4. Mediante la aplicacin de una carga en el portapesas este es

desplazado de manera vertical haciendo que las barras transmitan esa carga hacia el

portamuestras pero en sentido opuesto.

Figura 4.4. Sistema de carga

4.2.1. CLCULO DE PERNOS PARA EL SISTEMA DE CARGA

Los pernos en el sistema estarn sometidos a solicitaciones que permitirn trasmitir la

carga dentro del sistema. Es importante tomar en cuenta las consideraciones

necesarias sobre estos para poder asegurar un buen funcionamiento del sistema.

En cada perno acta una carga P como la mostrada en la figura 4.5, donde se observa

el diagrama de cuerpo libre del perno sometido a cortante doble.


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55

Figura 4.5. Diagrama de cuerpo libre del perno

Ec. 4.21

Donde es el esfuerzo cortante en MPay Pla carga aplicada tangencialmente sobre

un rea dada A.

El rea sobre la que acta el cortante es la seccin transversal del perno, se puede

calcular:

Ec. 4. 22

Donde: des del dimetro del perno

Para el clculo del rea, se considera la carga mayor soportada por el perno, esto es en

el punto C. (Ver la figura 4.6).

Sustituyendo la ecuacin 4.22 en la ecuacin 4.21 y resolviendo para una carga

mxima de 1557 N y un cortante permisible de 205 MPa, tenemos:


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56

Se decidi utilizar la medida comercial 1/8 de pulgada o 3.175 mm para que, al utilizar

dichas medidas comerciales, la obtencin de elementos del dispositivo o su

manufactura sean ms accesibles o fciles de manufacturar.

4.2.2. ANLISIS DEL SISTEMA DE PALANCAS

Detal le de las reaccio nes en pern os

La figura 4.6 muestra los puntos donde se aplica o distribuye una fuerza. Debido a que

el sistema de carga es un sistema simtrico de doble palanca, solo es necesario llevar a

cabo el anlisis de una solo parte del mecanismo, ya al final basta multiplicar por dos el

resultado de los clculos para saber cul es la magnitud total de la fuerza.

Figura 4.6. Anlisis de cargas en el Sistema de carga


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57

En el punto Fse desea obtener una carga de 1557 N y que acta sobre el eje vertical,

esta carga debe permitir saber que peso ser necesario aplicar sobre el portamuestras

para que el sistema transmita la carga deseada.

Para llevar a cabo el anlisis de fuerzas es necesario utilizar como referencia la carga

mxima que se desea alcanzar, en este caso 1000 N.

Las siguientes ecuaciones definen las reacciones presentes.

E = Pg

Ec. 4.23

D =F2E

Ec. 4.24

A = F1E (1+F2)

Ec. 4.25

C=A + B

Ec. 4.26

Donde: P es la masa de las pesas, ges la aceleracin gravitacional,F1es el factor de

multiplicacin de carga para la Barra 1 y F2factor de multiplicacin de carga de la Barra

2.

La reaccin presente en el punto E viene dada como el medio producto de la masatotal aplicada al portapesas por la aceleracin gravitacional.


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Los factores de multiplicacin F1 y F2 quedan definidos como sigue:

De esta manera la reaccin en D viene dada como el producto del factor de

multiplicacin F2 por el producto de la reaccin en el punto E.

Y la reaccin en el punto A viene dada por el producto de E, F1y F2.

La reaccin en el punto B queda definida por la suma de las reacciones presentes en

los puntos D y E.

Para la reaccin presente en el punto C, est viene dada por la suma de la reaccin

presente en el punto A ms la reaccin presente en el punto B

Finalmente la carga terica viene definida como el producto del factor de multiplicacin

total F por la masa total de las pesas y la constante de aceleracin gravitacional:


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59

Detalle de esp eso r mnim o en las barr as

El grosor de las barras es calculado de acuerdo a los esfuerzos flexionantes a los que

est sujeto. Se conocen los valores de las reacciones en cada perno, por consiguiente,

se conocen las cargas a las que estn sujetas las barras.

Los cortantes y los momentos flectores en las zonas de inters de las barras son:

Reacciones en labarra 1

RA 1190.92 N

RB 1557.35 N

RC 366.4 NDistancia entre

pernos

AB 85 mm

AC 20 mm

Tabla de reacciones en la barra 1 y la distancia entre sus pernos.

Suponiendo un punto justo al lado del perno A y realizando un anlisis de cuerpo libre y

suponiendo que tanto el cortante V como el momento flector M son positivos por

convencin, obtenemos la suma de fuerzas verticales.

La suma de momentos en el extremo de la barra queda:


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60

Del mismo modo para un punto justo antes de tocar el punto C la suma de fuerzas

verticales y de momentos es:

As mismo se realiza un anlisis similar para un punto justo despus de tocar el puntoC:

Se analiza por ltimo el punto justo antes de tocar el punto B.


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61

Con base en el anlisis anterior podemos decir que

Para calcular el espesor mnimo utilizamos la siguiente frmula:

Ec. 4.27

Donde Smnes el mdulo de seccin mnima; Mmx el momento flector mximo y perm

el esfuerzo permisible.

Para el latn utilizamos

Para la barra con b = 9.525 mm, la seccin transversal rectangular se calcula

Ec. 4.28

Ec. 4.29

Se considera b = 9.525 mm y al despejar h se obtiene:

Ec. 4.30


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62

Se utilizar un espesor h mayor o igual a 10.09779 mm.

Para comprobar el espesor mnimo para las barras si se someten a cargas tensionales.

Barra-1

El clculo de la seccin transversal se hace mediante la ecuacin que relaciona las

propiedades del material con la carga a la que estn sujetas las barras, y el rea

transversal de dichas barras, la cual se expresa como:

Ec. 4.31

Donde: : es el esfuerzo de cedencia del material en MPa, P:es la carga mxima a la

que estn sujetas las barras en N,A: esel rea transversal de las barras en mm.

El rea de las barras se expresa como:

Ec. 4.32

Donde: t:es el espesor en mm, h:esel ancho en mm,


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63

Figura 4.7. Barra 1

Es necesario definir un parmetro para hacer el clculo de la seccin transversal. Se

define a h para poder encontrar tmin.

Sustituyendo la ecuacin 4.32 en la ecuacin 4.31:

Ec. 4.33

Despejando tde la ecuacin 4.33.

Ec. 4.34


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64

Clculo de dimensiones del extremo de la barra .

Una vez conocidas las medidas de la seccin transversal, se puede entonces obtener

parmetros como el extremo de las barras y la seccin del pasador.

Figura 4.8. Diagrama de cuerpo libre para extremo de la barra.

Clcu lo d el espeso r en el extremo de la barr a.

Para poder calcular el anchoxde las paredes por donde atraviesa el perno as como el

dimetro del barreno, se analiza el caso para cuando se tiene un cortante doble.

1. Para cuando se tiene una sola seccin en la barra, con t = 5 mm .

Haciendo un anlisis similar se llega a:


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65

Para poder calcular la dimensin bde la barra, se utiliza la expresin:

Ec. 4.35

Donde: b:es la dimensin en esa seccin de la barra en mm, d:es el dimetro del

perno en mm.

2. Para cuando se tiene una oreja en la barra, con t = 2 mm.

Reacciones en la

barra 2RD 320.63 N

RB 1557.35 N

RE 45.80 NDistancia entre

pernos

BE 105 mm

BD 15 mm

Tabla de reacciones en la barra 2 y la distancia entre sus pernos.

De la ecuacin 4.34.


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66

Y de la ecuacin 4.35.

Barra-2

Para conocer el espesor mnimo en la barra-2 definimos la mismahque se defini parael clculo en la barra-1, por lo tanto el espesor en la barra 2 es:

Donde: t1: es el espesor en la barra-1, t2: es el espesor en la barra-2

Por la geometra de la barra-2, como se observa en la figura 4.9, es necesario calcular

el espesor mnimo que debe haber en la seccin donde la barra presenta una ranura.

Figura 4.9 Barra 2 donde se sealan los parmetros geomtricos a calcular.

De la ecuacin 4.35:


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67

Despejando y de la ecuacin anterior.

Ec. 4.36

Para definir el espesor mnimo que requerimos en z,utilizamos la ecuacin 4.34

4.3 ENSAMBLE DEL DISPOSITIVO Y PROTOTIPO FINAL

Las dimensiones de cada pieza del dispositivo de carga utilizadas en la manufactura del

dispositivo se especifican en los planos detallados en el anexo del presente documento.

A continuacin se muestra el plano en 3D del dispositivo de carga y fotografas del

dispositivo construido e implementado en el tribmetro coaxial.


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Figura 4.10 Modelo del ensamble del dispositivo.

Figura 4.11 Fotografa del dispositivo de carga.


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Figura 4.12. Fotografa del prototipo de tribmetro para contacto anillo sobre bloque.


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5.RESULTADOS

En este captulo se presentarn datos para la determinacin del factor de multiplicacin

de la carga del dispositivo y muestras representativas del tipo de datos que se puedenobtener utilizando el prototipo de tribmetro.

5.1 FACTOR DE MULTIPLICACIN DE CARGA

En los ensayos que se realizarn es importante conocer este factor para controlar la

carga aplicada sobre la muestra. La determinacin de este factor requiri tomar en

cuenta varios parmetros, geomtricos y experimentales.

5.1.1 DETERMINACIN TERICA DEL FACTOR DE MULTIPLICACIN DE CARGA

Desd e el pun to de v ista g eomtric o.

En la posicin de trabajo del mecanismo se calcularon las relaciones de palanca para

cada barra del mecanismo. Al tomar en cuenta esta relacin de palancas se obtuvo un

factor de multiplicacin de la carga entre el Portapesas y el Portamuestras del orden de

22.75.

A continuacin se muestra el mtodo utilizado para obtener el factor desde un punto de

vista geomtrico siguiendo el esquema de la figura 4.6:

i. Se considera primero la barra DBE. El punto B

diseño y manufactura de tribómetro tipo anillo sobre bloque para obtención de curvas de fricción

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