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ESFUERZOS DINÁMICOS EN EMBRAGUE TIPO "FLOTADOR" PARA
LAVADORA AUTOMÁTICA
Participantes:Edson Joel Hernández Hernández*Rodríguez Cruz Rafael Angel*Luis Ballesteros Martínez**Negrete Romero Guillermo*
*F.I.M.E.E., Universidad de Guanajuato ** MABE T y P Líder de Subsistema
CONTENIDO:
1.- Descripción y solución del modelo numérico.
2.- Descripción y adquisición experimental.
3.- Comparación entre los datos numéricos y experimentalesrealizados.
4.- Ideas para mejorar el modelo numérico actual.
5.- Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
6.- Conclusiones.
Descripción y solución del modelo numérico.
Campana
Flotador
Embraguefijo
Par aplicado
CampanaSolid 45E=783e3psi; ν=0.35
FlotadorSolid 45E=1e6psi; ν=0.33
Embrague fijoSolid 45E=10e6psi; ν=0.33
Par aplicadoPresión tangencial
Restricción carasinternas delembrague
Descripción y solución del modelo numérico.
Elementos contactoentre la campana yel flotador
Elementos contactoentre la flotador y elembrague fijo
Descripción y solución del modelo numérico.
Las corridas se realizaron en ansys aplicando un par de: 10, 20, 30 y 40 lb-in, locual se traduce en una carga de presión tangencial aplicada al modelo de: 11.1,22.2, 33.3 y 44.4 psi, respectivamente.
Ahora bien el punto de interés en el presente análisis se enfocara a lalocalización donde se encuentra ubicada la galga extensometrica, la cual secoloco en el flotador aproximadamente a 1” del extremo superior. Y acontinuacion se presentan los resultados obtenidos del modelo numerico paraesa localizacion:
Carga (lb)
Brazo de palanca
(in)Torque (lb-in)
Esfuerzo von misses (ansys) σ
1 10 10 37.664
2 10 20 75.251
3 10 30 112.734
4 10 40 150.007
Carga (lb)
Brazo de palanca (in)
Torque teorico (lb-in)
Torque Crio (lb-in)
Esfuerzo von misses (ansys) σ
1 4.28 4.28 4.19 58.1
2 4.28 8.56 8.46 75.251
3 4.28 12.84 12.78 112.734
4 4.28 17.12 17.07 150.007
Descripción y adquisición experimental.
r
F
T
De igual forma se llevo a cabo una medición experimental delmismo fenómeno por medio del Crio, en el cual se proporcionauna fuerza “F” de: 1, 2, 3 y 4 lb, un radio “r” de 4.28in, dandocomo resultado un par T aplicado a los elementos de: 4.28,8.56, 12.84 y 17.12 lb-in respectivamente.
Los resultados obtenidos por el Crio se enlistan acontinuación:
Comparación entre los datos numéricos y experimentales realizados.
Comparacion del Esfuerzo Numerico y Experimentalen flotador
y = 13.686x - 0.7709
y = 3.7451x + 0.286
0.00
50.00
100.00
150.00
200.00
250.00
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
Torque (lb-in)
Esf
urz
o d
e V
on
Mis
ses
(psi
)
Curva experimentalCurva numericaLineal (Curva experimental)Lineal (Curva numerica)
De la grafica se puede observar que existe una relación entre el esfuerzo numéricoy el experimental de: σexperimental=3.7σnumerico
Ideas para mejorar el modelo numérico actual.
1.- Refinamiento Local de Malla (Nodal y Elemento) desde el 1 (mínimo)hasta el 5 (máximo),
2.- Disminuir a la mitad Rigidez de Elementos de Contacto,
3.- Aplicar Par Mecánico a través de Nodo Maestro
4.- Verificar el contacto entre los componentes.
Refinamiento Local de Malla (Nodal y Elemento) desde el 1 (mínimo) hasta el 5 (máximo).
De la tabla se observa un ligero incremento en el valor de esfuerzo de Von Missescon el incremento del refinamiento de la malla existente en la localización de lagalga extensometrica, por que esta idea se descarta como una posibilidad demejorar el modelo de elemento finito.
Torque aplicado al modelo 10 lb-inEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ (sin refinar malla) 37.664 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 1 mínimo 37.673 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 3 intermedio 37.691 psiEsfuerzo Von Misses (ANSYS) σ 5 máximo 37.782 psi
Disminuir a la mitad Rigidez de Elementos de Contacto.
De la tabla no se observa un cambio en el valor de esfuerzo de Von Misses con ladisminución del valor del modulo de young (E=0.5e6psi) con el cual se elaboraronlos elementos de contacto, por que esta idea también se descarta como unaposibilidad de mejorar el modelo de elemento finito.
Torque aplicado al modelo 10 lb-in
Esfuerzo von misses (ansys) σ (sin modificar acoplamientos) 37.664 psi
Esfuerzo von misses (ansys) σ (modificacion de acoplamientos) 37.664 psi
Aplicar Par Mecánico a través de Nodo Maestro.
Torque aplicado al modelo 10 lb-in
Esfuerzo von misses (ansys) σ (presion tangencial) 37.664 psi
Esfuerzo von misses (ansys) σ (region rigida) 37.358 psi
De la tabla se observa una disminución en el valor de esfuerzo de Von Misses conla modificación a la forma de aplicar el par al modelo de elemento finito (por mediode elementos rígidos), por que esta idea también se descarta como una posibilidadde mejorar el modelo de elemento finito.
Verificar el contacto entre los componentes.Se verifico visualmente el contacto entre los componentes y se constato que lacampana solamente hacia contacto en una sola cara con el flotador, razón por lacual hay esta diferencia entre los resultados experimentales y los obtenidos por elMEF. Se volvió a repetir la prueba estática con un mejor contacto dando lossiguientes resultados.
y = 3.7233x + 0.7228
y = 4.1284x + 0.1917
0
20
40
60
80
100
120
140
160
180
200
0 10 20 30 40 50Par Torsional (lb-in)
Esfu
erzo
de
Von
Mis
ses
(psi
)
Modelo Numerico Muestras experimentalesAproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal de las muestras experimentales
De la grafica se puede observar que existe una relación entre el esfuerzo numéricoy el experimental de: σexperimental=1.1σnumerico
Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba estática)
Motor
Banda y polea
Cubierta Flecha
Rodamientos
Par torsional(Frenado)
Ensamblecanasta
Campana
FlotadorEmbraguefijo
Hub
Par torsional(Vel. angular cte.)
Montaje parael Crio
(Naylamid)
FlechaGalgas
CompactRio(9002)
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.Par Torsional en la Flecha (lb-in)
Esfuerzo de Von Misses en el Flotador (psi)
y = 14.357x - 43.08
y = -10.924x + 2.9915
y = 3.7233x + 0.7228y = -3.7233x + 0.7228
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
1000
1100
1200
1300
-120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 -40 -30 -20 -10 0 10 20 30Par Torsional (lb-in)
Esfu
erzo
de
Von
Mis
ses
(psi
)
Muestras experimentales (Etapa de Acel. y Vel cte.) Muestras experimentales (Etapa de Frenado)Modelo Numerico Modelo NumericoAproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Acel. y Vel cte.) Aproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Frenado)Aproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal del modelo numerico
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba dinámica sin carga)
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
y = 12.841x - 32.598
y = -10.612x + 24.995
y = -3.7233x + 0.7228y = 3.7233x + 0.7228
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
2200
2400
2600
-240 -220 -200 -180 -160 -140 -120 -100 -80 -60 -40 -20 0 20 40Par Torsional (lb-in)
Esfu
erzo
de
Von
Mis
ses
(psi
)
Muestras experimentales (Etapa de Acel. Y Vel. cte.) Muestras experimentales (Etapa de Frenado)Modelo Numerico Modelo NumericoAproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Acel. Y Vel. cte.) Aproximacion lineal de las muestras experimentales (Etapa de Frenado)Aproximacion lineal del modelo numerico Aproximacion lineal del modelo numerico
Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (prueba dinámica con carga)
PARAMETRO ETAPA DE ACELERACION CTE.
ETAPA DE VELOCIDAD CTE.
ETAPA DE FRENADO
Aproximación lineal sin carga de ropa húmeda y=14.36x-43.08 y=14.36x-43.08 y=-10.92x+2.99
Aproximación lineal MEF y=3.72x+0.72 y=3.72x+0.72 y=-3.72x+0.72
Factor de correlación σVMexp=3.86σVMnum σVMexp=3.86σVMnum σVMexp=2.93σVMnum
Aproximación lineal con carga de ropa húmeda y=12.84x-32.60 y=12.84x-32.60 y=-10.61x+24.99
Aproximación lineal MEF y=3.72x+0.72 y=3.72x+0.72 y=-3.72x+0.72
Factor de correlación σVMexp=3.45σVMnum σVMexp=3.45σVMnum σVMexp=2.85σVMnum
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
Esfuerzo de Von Misses en el Flotador (psi)
y = 3.7233x + 0.7228
y = 4.2081x + 0.148
0
50
100
150
200
250
0 10 20 30 40 50 60
Par Torsional (lb-in)
Esf
uerz
o de
Von
Mis
ses
(psi
)
Modelo numerico
Modelo numericomodificado
Aproximacionlineal del modelonumerico
Aproximacionlineal del modelonumericomodificado
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
Par Torsional Vs. Esfuerzo de Von Misses (al 9.09% del área de contacto)
Análisis y resultados de la prueba en Centrifugado.
PARAMETRO ETAPA DE ACELERACION CTE.
ETAPA DE VELOCIDAD CTE.
ETAPA DE FRENADO
Aproximación lineal sin carga de ropa húmeda y=14.36x-43.08 y=14.36x-43.08 y=-10.92x+2.99
Aproximación lineal MEF modificado y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15
Factor de correlación σVMexp=3.41σVMnum σVMexp=3.41σVMnum σVMexp=2.59σVMnum
Aproximación lineal con carga de ropa húmeda y=12.84x-32.60 y=12.84x-32.60 y=-10.61x+24.99
Aproximación lineal MEF modificado y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15 y=4.21x+0.15
Factor de correlación σVMexp=3.05σVMnum σVMexp=3.05σVMnum σVMexp=2.52σVMnum
1. De los ensayos experimentales se obtuvieron los espectros (tanto para elpar torsional como el del esfuerzo de Von Misses en el flotador) de lasdiferentes fases que conforman la etapa de centrifugado (aceleraciónconstante, velocidad constante y frenado), destacando la fase decentrifugado en la cual se presenta el par máximo de aproximadamente110 lb-in para el caso sin carga de ropa húmeda y de 210 lb-in para elcaso con carga de ropa húmeda, lo cual da marcha atrás a las 50 lb-in depar que se tenían contempladas en un principio dentro del modelonumérico y con ello poder elaborar futuros análisis con datos mascerteros.
2. En cuanto al grado de correlación entre los valores experimentales y losnuméricos durante las tres fases del centrifugado, fue demasiado alto, deaquí se concluye que para las condiciones contempladas en el MEF noson las más adecuadas para reproducir en una buena medida los eventossuscitados en la prueba dinámica.
Conclusiones:
Conclusiones:3. También durante la prueba de centrifugado se pudo destacar que
el contacto entre la campana y el flotador no se distribuye en lasocho superficies que prevé el diseño, ya que esto ocurremayormente en cuatro áreas. Aunado a este detalle se pudoobservar que la transmisión del par torsional entre estos elementosno es equitativo para los cuatro postes del flotador. Así también dela experimentación bajo consideraciones de carga estática se pudoconcluir que el MEF tiene un excelente grado de correlación entrelos acontecimientos numéricos y experimentales. Por estasrazones expuestas se puede inferir que durante la prueba encentrifugado el flotador no se encuentra en una posición fija,cambiando con ello la manera en que hacen contacto este con lacampana y por ende con el embrague, resultando con ello lasdiferencias observadas en cada uno de los postes instrumentados.
Conclusiones.
4. Por ultimo se descartaron varias hipótesis generadas en el proceso demejora del MEF, entre las que destacan el cambio del tipo deelemento utilizado para mallar los componentes (de sólido 45 a sólido185), ya que esta modificación no repercute en el resultado final.Forma de aplicar el par al sistema dentro del MEF, en donde se cambioel uso “presión tangencial” (elemento SURF 154) a el uso de “vigasrígidas” (elemento MPC 184), con lo cual no produjo mejora alguna parareducir el margen de correlación entre los datos numéricos yexperimentales.