tesis-amortiguadores

UNIVERSIDAD POLITÉCNICA SALESIANA Sede Matriz Cuenca

FACULTAD DE INGENIERÍAS CARRERA DE INGENIERÍA ELÉCTRICA

Tesis previa a la obtención del Título de: Ingeniero Eléctrico

TEMA:

“DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE

AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO”

AUTOR:

CÉSAR PATRICIO GUZMÁN MAYORGA

DIRECTOR :

ING. PAÚL ÁLVAREZ LLORET

CUENCA-ECUADOR

2007

Declaración Expresa

II

EL DESARROLLO Y CONTENIDO DE ESTA TESIS ES

RESPONSABILIDAD DEL AUTOR:

Cuenca, 5 de Marzo del 2007

___________________________________________

CÉSAR PATRICIO GUZMÁN MAYORGA

Certificación

III

Certifico que bajo mi dirección

el proyecto fue realizado por el señor:

César Patricio Guzmán Mayorga

…………………………………....... Ing. Paúl Álvarez Lloret.

DIRECTOR

Agradecimiento

IV

Mi más sincero agradecimiento a todas las personas que directa e indirectamente

intervinieron en la realización del presente trabajo entre ellas: al Ing. Flavio Quizhpi,

Ing. Juan Pablo Bermeo, Ing. Vinicio Sánchez, Ing. Frank Reinoso Docentes de UPS

sede matriz Cuenca, a la Lcda. Carmita Bravo Bibliotecaria, un agradecimiento

especial al Ing. Paúl Álvarez Lloret Director del presente trabajo y a todos los

familiares y amigos que brindaron su apoyo incondicional en la ejecución de este

proyecto.

Dedicatoria

V

Dedico el presente trabajo a mis padres y hermanos, en especial a mi hermano Flavio

Ismael quien me brindo su apoyo incondicional durante mi vida estudiantil

universitaria. También dedico este trabajo al Dr. Luciano Bellini un amigo a quien

admiro y respeto.

Índice general

VI

INTRODUCCIÓN .................................................................................................. XIII

CAPITULO I

FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS

Contenido Página

1 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS. .............................................................................. 2

1.1 GENERALIDADES.................................................................................................... 2

1.2 PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A LAS

VIBRACIONES. ............................................................................................................... 5

1.3 ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN. ...................................................................... 7

1.3.1 CLASES DE MUELLES……………………………………………………9

a. Ballestas ........................................................................................ ...9 b. Muelles helicoidales....................................................................... 11 c. Barras de torsión............................................................................. 12

1.3.2 BARRA ESTABILIZADORA…………………………………………….12

1.3.3 AMORTIGUADORES…………………………………………………….13

a. Amortiguador bitubo. ..................................................................... 15 b. Amortiguadores monotubo. ........................................................... 18 c. Amortiguadores magnetoreológicos............................................... 19

1.4 TIPOS DE FLUIDOS................................................................................................ 20

1.4.1 FLUIDOS NEWTONIANOS……………………………………………...20

1.4.2 FLUIDOS NO-NEWTONIANOS…………………………………………22

a. Fluidos independientes del tiempo de aplicación........................... 22 a.1 Fluidos sin esfuerzo umbral ...................................................... 22

a.1.1 Fluidos pseudoplásticos (SHEAR-THINNING)............. 22 a.1.2 Fluidos dilatantes (Shear-thickening)............................... 23

a.2 Fluidos con esfuerzo umbral, llamados plásticos...................... 24 b. Fluidos dependientes del tiempo de aplicación.............................. 25

b.1 Fluidos tixotrópicos................................................................... 26 b.2 Fluidos reopécticos ................................................................... 28

1.4.3 FLUIDO VISCOELÁSTICO……………………………………………...30

1.5 MATERIALES INTELIGENTES............................................................................. 30

1.5.1 MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS……………………30

a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos............................ 30 b. Materiales piezoeléctricos.............................................................. 31 c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos........................ 31

1.6 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS.................................................................... 31

1.6.1 Modelado del Fluido magnetoreológico …………………………………...33

Índice general

VII

1.7 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS ..................................................................... 35

Contenido Página

1.7.1 Propiedades reológicas …………………………………………………….35

1.7.2 Propiedades magnéticas……………………………………………………35

1.8 APLICACIONES ....................................................... ...……………………………36

1.8.1 Robótica……………………………………….…………………………...36

1.8.2 Automotriz………………………………………………………………....36

1.8.3 Construcciones civiles……………………………………………………..37

1.8.4 Dispositivos y amortiguadores magnetoreológicos……………………….37

CAPITULO II

OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO

Contenido Página

2 OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO. ............................................... .40

2.1 TIPOS DE FLUIDOS CONVENCIONALES PARA AMORTIGUADORES. ....... 40

2.1.1 NORMA GL ATF-1 DEXRON III ……………...………………………..40

2.2 OBTENCIÓN DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL MAGNÉTICO. ........... 42

2.3 MEZCLA DEL FLUIDO Y DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL

MAGNÉTICO. ................................................................................................................ 47

2.3.1 PROCESO DE MEZCLADO……………………………………………...47

2.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO. 48

CAPITULO III

DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUAD OR

MAGNETOREOLÓGICO

Contenido Página

3 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE AMORTIGUADOR

MAGNETOREOLÓGICO .................................................................................................... 52

3.1 DISEÑO PARA LA ADAPTACIÓN DE UN AMORTIGUADOR COMERCIAL

ESTÁNDAR.................................................................................................................... 52

3.1.1 DISEÑO DE LA GEOMETRÍA DE UN AMORTIGUADOR MR………52

3.1.2 ADAPTACIÓNES MECANICAS EN EL AMORTIGUADOR………….56

Índice general

VIII

3.2 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ELECTROIMÁN. ......................................... 63

Contenido Página

3.2.1 CALCULO DEL ELECTROIMAN……………………………………….68

3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE ALIMENTACIÓN PARA EL

ELECTROIMÁN. ........................................................................................................... 78

3.4 LLENADO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO DENTRO DEL

AMORTIGUADOR. ....................................................................................................... 81

CAPITULO IV

PRUEBAS Y MEDICIONES

Contenido Página

4 PRUEBAS Y MEDICIONES. ............................................................................................ 84

4.1 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 20% DE

LIMALLAS..................................................................................................................... 87


LIMALLAS..................................................................................................................... 93


LIMALLAS..................................................................................................................... 98

4.4 DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD MAGNETICA DEL FLUIDO

MR……………………………………………………………………………………..103

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES . .............................................................. 106

BIBLIOGRAFÍA ................................................................................................................ 110

ANEXOS

Índice de tablas

IX

Capitulo I Contenido Página

Tabla1.1 Propiedades de los fluidos MR. .................................................................. 36 Capitulo II Contenido Página

Tabla 2.1 % de volúmenes de aceite y limallas de hierro .......................................... 47 Capitulo III Contenido Página

Tabla 3.1 Datos magnéticos para el cálculo del electroimán. .................................... 72 Tabla 3.2 Datos geométricos para el cálculo del electroimán.................................... 73 Tabla 3.3 Datos eléctricos para el cálculo del electroimán........................................ 73 Tabla 3.4 Valores para la construcción del electroimán. .......................................... 73 Tabla 3.5 Dimensiones de la bobina para la construcción del electroimán. ............. 73 Capitulo IV Contenido Página Tabla 4.1 Densidad de los fluidos magnetoreológicos............................................... 86 Tabla 4.2 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 20% de limallas... 87 Tabla 4.3 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 30% de limallas... 93 Tabla 4.4 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 40% de limallas... 98 Tabla 4.5 Magnitudes de Bg, µg y Hg. ...................................................................... 105

Índice de figuras

X

Capitulo I

Contenido Página

Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo ......................................................... 4 Figura 1.2 Esquema de suspensión .............................................................................. 8 Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones. ......................................................... 10 Figura 1.4 Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante; b, c, d.

Flexibilidad variable. ............................................................................... 11 Figura 1.5 Barra de torsión ........................................................................................ 12 Figura 1.6 Barra estabilizadora .................................................................................. 13 Figura 1.7 Amortiguador hidráulico telescópico ...................................................... 14 Figura 1.8 Estructura de un amortiguador bitubo doble efecto.................................. 16 Figura 1.9. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo ........................... 18 Figura 1.10 Curva de Fluidez de fluidos Newtonianos........................................... 21 Figura 1.11 Curva de Viscosidad fluidos Newtonianos.......................................... 21 Figura 1.12 Curva de Fluidez fluidos Pseudoplásticos. ........................................... 22 Figura 1.13 Curva de Viscosidad de fluidos Pseudoplásticos. .................................. 23 Figura 1.14 Curva de Fluidez de fluidos Dilatantes................................................... 23 Figura 1.15 Curva de Viscosidad de Fluidos Dilatantes......................................... 24 Figura 1.16 Curva de Fluidez de fluidos Plásticos.....................................................24 Figura 1.17 Curva de Viscosidad de fluidos Plásticos............................................... 25 Figura 1.18 Curva de Fluidez de fluidos Tixotrópico. ............................................... 26 Figura 1.19 Curva de Viscosidad de fluidos Tixotrópico .......................................... 26 Figura 1.20 Fase Dispersa tipo Castillo de Cartas .....................................................27 Figura 1.21 Fase Dispersa tipo armadura.................................................................. 27 Figura 1.22 Fase Dispersa tipo estructura de perlas encadenadas. ............................ 28 Figura 1.23 Curva de Fluidez de Fluidos Reopécticos ............................................ 29 Figura 1.24 Curva de Viscosidad de fluidos Reopécticos. ....................................... 29 Figura 1.26 Formación de cadenas paralelas al campo magnético. ........................... 32 Figura 1.27 Modelo visco-plástico de los fluidos MR.............................................. 33 Figura 1.28 Puente de Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de

Movimiento magnetoreológico para contrarrestar las ráfagas de viento. Imagen cortesía Lord Corporation. ....................................................... 37

Capitulo II Contenido Página

Figura 2.1 Limadora automática. ............................................................................... 43 Figura 2.2 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro. .............................. 43 Figura 2.3 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro. .............................. 44 Figura 2.4 a Pulverizado de las limallas de hierro..................................................... 45 Figura 2.4 b Consistencia de las limallas de hierro.................................................... 45 Figura 2.5 a Filtrado de las limallas de hierro............................................................ 46 Figura 2.5 b Filtrado de las limallas de hierro. .......................................................... 46 Figura 2.6 Fluido Magnetoreológico.......................................................................... 48 Figura 2.7 a . Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .............................. 49 Figura 2.7 b Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .................................. 49 Figura 2.7 c Prueba visual de funcionamiento del fluido MR. .................................. 50

Índice de figuras

XI

Capitulo III Contenido Página

Figura 3.1 Circuito magnético del amortiguador MR................................................ 53 Figura 3.2 Procedimiento de corte del cilindro del amortiguador. ............................ 57 Figura 3.3 Componentes del amortiguador bitubo..................................................... 57 Figura 3.4 Núcleo del electroimán. .......................................................................... 58 Figura 3.5 Cojinetes de bronce colocados en la cabeza del pistón para centrado...... 59 Figura 3.6 Piezas en las que realiza el trabajo de roscado. ........................................ 60 Figura 3.7 Proceso de roscado en la tapa del amortiguador....................................... 60 Figura 3.8 Proceso de roscado el cilindro exterior y la tapa del amortiguador.......... 61 Figura 3.8 Acoplamiento del cilindro y la tapa del amortiguador. ............................ 61 Figura 3.9 Retenedor de aceite y tapa del amortiguador............................................ 62 Figura 3.10 Circuito magnético en serie. ................................................................... 63 Figura 3.11 Recorrido del flujo magnético. .............................................................. 66 Figura 3.12 Dimensiones del circuito magnético del amortiguador MR. .................. 68 Figura 3.13 Dimensiones del núcleo del electroimán................................................ 69 Figura 3.13 Superficie lateral de la culata del núcleo. ...............................................70 Figura 3.14a Electroimán del amortiguador MR ....................................................... 74 Figura 3.14 b Electroimán del amortiguador MR...................................................... 74 Figura 3.15a Lord Corporation Engineering Note (1999b). ...................................... 76 Figura 3.15b Lord Corporation Engineering Note (1999b). ...................................... 77 Figura 3.15c Lord Corporation Engineering Note (1999b) ....................................... 77 Figura 3.16a Circuito eléctrico supresor de voltajes transitorios............................... 79 Figura 3.16b Operación normal de funcionamiento. ................................................. 80 Figura 3.16c Operación cuando se produce un exceso de voltaje.............................. 80 Figura 3.17 Colocación de la cinta de teflón alrededor del cilindro. ......................... 81 Figura 3.18 a Llenado parcial del amortiguador con fluido MR............................... 82 Figura 3.18 b Llenado total del amortiguador con fluido MR. .................................. 82 Capitulo IV Contenido Página

Figura 4.1 Sistema para medir las variables mecánicas y eléctricas.......................... 85 Figura 4.2 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 20%................................................. 88 Figura 4.3 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 20%.............................................. 88 Figura 4.4 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 20%. .................................. 89 Figura 4.5 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 20%............................................. 89 Figura 4.6 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 20%........................................... 90 Figura 4.7 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 20%................................ 90 Figura 4.8 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante 20%. .......................... 91 Figura 4.9 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante (ampliada) 20%. ........ 91 Figura 4.10 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 30%............................................... 94 Figura 4.11. Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 30%........................................... 94 Figura 4.12 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 30%. ................................ 95 Figura 4.13 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 30%. .......................................... 95 Figura 4.14 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 30%......................................... 96 Figura 4.15 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 30%.............................. 96

Índice de figuras

XII

Contenido Página

Figura 4.16 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 30%. ........................ 97 Figura 4.17 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante (ampliada) 30%. ...... 97 Figura 4.18 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 40%............................................... 99 Figura 4.19 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 40%............................................ 99 Figura 4.20 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 40%. .............................. 100 Figura 4.21 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 40%. ........................................ 100 Figura 4.22 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 40%....................................... 101 Figura 4.23 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 40%............................ 101 Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40%. .......... 102 Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40%

(ampliada). ............................................................................................. 102 Figura 4.25 Medición de la fuerza de atracción del electroimán. ............................ 103 Figura 4.26 Medición de la fuerza de atracción del electroimán para diferentes

valores de corriente......………………………………………………...104

Amortiguador magnetoreológico

XIII

INTRODUCCIÓN

Las vibraciones mecánicas no deseadas son un problema que se presenta en la

mayoría de las maquinarias. En el sector automotriz las vibraciones producidas tanto

por los elementos giratorios del motor como por las irregularidades del camino por el

cual circula el automóvil, generando oscilaciones que afectan a la carrocería y a los

ocupantes del mismo. Estas oscilaciones en primera instancia son atenuadas por el

sistema de suspensión del automóvil que hace las vibraciones no sean tan bruscas,

pero el tiempo en que se mantienen estas oscilaciones no es el deseado.

Para atenuar las vibraciones en el menor tiempo posible se utiliza el amortiguador, y

en el mercado se encuentra una variedad que satisfacen la mayoría de las necesidades

de confort y seguridad. En los últimos años se ha estado desarrollando los

amortiguadores magnetoreológicos, cuyas aplicaciones no están limitadas al área

automotriz, también se los diseña para las construcciones civiles, robótica.

En nuestro país casi no se tiene conocimiento de lo que es un fluido

magnetoreológico, y por consiguiente, un amortiguador magnetoreológico. El

propósito de esta tesis es dar a conocer este tipo de fluido, como obtenerlo y

aplicación que se ha hecho en el diseño y construcción de un prototipo de

amortiguador magnetoreológico, que este al alcance de la mayoría del mercado

ecuatoriano, ya que, el precio de este tipo de dispositivos es excesivo y solo se lo

encuentra para marcas de automóviles de lujo.

En el capitulo I se da una explicación general de el sistema de suspensión de los

vehículos, haciendo énfasis en la constitución mecánica del amortiguador y su

funcionamiento. Además se explica brevemente los tipos de fluidos, enfocándose con

más detalle en los fluidos magnetoreológicos y sus aplicaciones. En el capitulo II se

explica los pasos para obtener un fluido MR (magnetoreológico). En el capitulo III se

centra en el diseño y construcción del prototipo, tanto de la construcción del

electroimán y adaptaciones mecánicas realizadas al amortiguador. En el capitulo IV

se realizan las mediciones y pruebas que darán las características de funcionamiento

y comportamiento del amortiguador. Finalmente se realizan las conclusiones y

recomendaciones.


1

CAPITULO I


2

1 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS.

1.1 GENERALIDADES.

El amortiguador es un dispositivo mecánico, cuya función es transformar los

movimientos vibratorios producidos por alguna fuente en otros más lentos, y al

mismo tiempo de menor amplitud y duración.

Una de las principales aplicaciones es la suspensión de un vehículo, donde

generalmente se utiliza un amortiguador hidráulico, que atenúa las perturbaciones

experimentadas por el auto al desplazarse por la carretera, manteniendo las ruedas en

contacto con la misma, asegurando el confort en la marcha y la estabilidad del

vehículo. Dentro de estos dos objetivos principales, se persigue además lo siguiente:

1. 1Absorber las desigualdades del terreno, aislando a la carrocería de las

irregularidades de la carretera.

2. Mantener la posición de los neumáticos y la geometría de la dirección en

perfecto estado de funcionamiento respecto a la superficie de la carretera.

3. Reaccionar a las fuerzas de control que se transmiten desde las ruedas:

fuerzas longitudinales (aceleración y frenado), fuerzas laterales (en el giro), y

pares de dirección y frenado.

4. Resistir el balanceo de la carrocería.

2Todo el sistema de suspensión del vehículo tiene como función el absorber o atenuar

las reacciones producidas en las ruedas por las irregularidades del terreno,

asegurando la comodidad de los pasajeros, la protección de la carga y los

componentes mecánicos del vehículo. Este funcionamiento se obtiene con la

combinación de los neumáticos, la elasticidad de los asientos, y el sistema elástico de

1 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pag 102. 2 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004.

Primera edición. Pag 103.


3

suspensión. Para pequeñas irregularidades de la carretera, son los neumáticos los

encargados de absorber las mismas, pero, su misión más importante es la de

garantizar el agarre sobre la carretera y una marcha silenciosa del vehículo.

Cuando las irregularidades de la carretera son grandes, entra en acción el sistema de

suspensión elástica generando oscilaciones en las ruedas, las mismas que serán más

grandes mientras más blanda sea el sistema. Las oscilaciones generadas por el

sistema de suspensión deben ser amortiguadas rápidamente para asegurar el contacto

de las ruedas con el terreno.

3Se pueden diferenciar tres tipos de oscilaciones (producidas por las irregularidades

del terreno o por una conducción defectuosa, y a una carga unilateralmente

distribuida):

1. Oscilaciones de empuje, que son producidas al pasar sobre un terreno

ondulado.

2. Oscilaciones de cabeceo, producidas en los frenados bruscos.

3. Oscilaciones de bamboleo, producidas al tomar las curvas a alta velocidad.

En la figura 1.1 se muestra los tipos de oscilaciones descritas anteriormente.

4Los automóviles viajan a elevada velocidad, y por ello están sometidos a un amplio

espectro de vibraciones. Estas vibraciones se transmiten a los pasajeros de forma

táctil, visual o audible. El término vibraciones se usa normalmente en referencia a

vibraciones táctiles y visuales, mientras que las vibraciones audibles se definen como

ruido. El espectro de vibraciones se puede dividir de acuerdo con la frecuencia y

clasificarlas como vibraciones (0-25 Hz) y ruido (25-2500 Hz).

5Para entender el entorno de vibración del vehículo hay que analizar las fuentes de

excitación de las vibraciones, la respuesta del vehículo, la percepción humana y

tolerancia a las vibraciones, ya que el ambiente generado por las vibraciones es uno

3 Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 109. 4 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 103. 5 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 103.


4

de los criterios más importantes por lo que la gente juzga el diseño y la calidad de

construcción del auto.

Figura 1.1 Oscilaciones del cuerpo del vehículo

Si se toma en consideración únicamente a las frecuencias verticales, la gama

existente puede ser dividida en tres tipos:

• 1 – 3 Hz: Correspondiente a las frecuencias naturales de la carrocería.

• 5 – 40 Hz: Frecuencias de oscilación de las masas no suspendidas

(generalmente entre 10 y 20 Hz).

• 40 – 250 Hz: Oscilaciones producidas en las masas no suspendidas,

debidas a las vibraciones naturales en los neumáticos.

6Existen múltiples fuentes de excitación por las que se originan las vibraciones en el

vehículo, estas fuentes pueden dividirse en dos grandes grupos:

1. Ajenas al vehículo o indirectas: son las que se transmiten a la masa

suspendida a través de las masas no suspendidas y cuyo principal exponente

es el estado del terreno, es decir, las irregularidades por donde tiene que

desplazarse el vehículo.

6 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 104.

1

3

2

2

1 3

1. Oscilaciones de empuje. 2. Oscilaciones de cabeceo. 3. Oscilaciones de bamboleo


5

2. Propias del vehículo o directas: son las ejercidas sobre la masa suspendida

por elementos contenidos o apoyados en ella, es decir, son fuentes de

excitación de vibraciones que están incorporadas al propio vehículo y que

surgen principalmente de componentes giratorios o rotativos del mismo,

como son los conjuntos llantas/neumáticos, el sistema de

tracción/transmisión, el motor y las acciones aerodinámicas.

1.2 PERCEPCIÓN Y TOLERANCIA DEL CUERPO HUMANO A

LAS VIBRACIONES.

Existen muchos estudios e investigaciones realizadas para determinar el rango de

frecuencias de vibraciones a las que el cuerpo humano responden con síntomas de

fatiga, malestar, etc. al conducir o circular en un vehículo.

Hay que considerar que existe el riesgo de que alguna zona del cuerpo entre en

resonancia con la frecuencia de excitación; claro esta que cada cuerpo responde

diferente a las vibraciones y según el sentido de éstas.

7El cabeceo produce sensación de náuseas y alteraciones en el laberinto auditivo que

modifica el sentido del equilibrio. Si el aparato vestibular y el líquido coclear del

oído interno están sometidos de forma continua a aceleraciones lineales y/o angulares

de frecuencias entre 0.5 y 0.75 Hz, se produce vértigo y mareo. Las frecuencias de 5

- 6 Hz causan fatiga general, debida a la resonancia de los músculos. Los objetos de

la región visceral se ven afectados por frecuencias entre 5 y 7 Hz. La entrada en

resonancia del diafragma (4-8 Hz) o la cara frontal del tórax (10-50 Hz) produce

dificultades respiratorias. La cabeza y el cuello son muy sensibles a las vibraciones

que varían entre los 18 y 20 Hz, y las frecuencias del orden de los 20 Hz son

perjudiciales para las vértebras cervicales.



6

8En función de los experimentos realizados, se ha llegado a unas frecuencias de

resonancias para otras partes del cuerpo que son:

• Pierna flexionada (sentado): 2 Hz

• Pierna rígida: 20 Hz

• Torso superior (hombro): 4-5 Hz

• Antebrazo: 5-10 Hz

• Columna vertebral (axial): 10-12 Hz

• Brazo: 16-30 Hz

• Mano: 30-50 Hz

• Globo ocular: 20-90 Hz

La vibración transmitida al globo ocular produce una pérdida de agudeza en la

visión.

9En general, parece que las frecuencias verticales que resultan más incómodas para el

ser humano se encuentran entre 20 y 200 Hz, aunque la fatiga aparece más

rápidamente cuando las vibraciones están entre 4 y 8 Hz o por debajo de 0.75 Hz, y

en ellas pueden aparecer vértigo y mareo. Las frecuencias laterales o longitudinales

en el mismo rango también molestan porque alteran el mecanismo de equilibrio del

oído interno.

En conclusión se ha determinado que las frecuencias aceptables están entre 1 y 2 Hz,

jugando el asiento un papel fundamental en la sensación de confort, cuyos muelles

deben tener sus frecuencias naturales alejadas de las solicitaciones transmitidas al

casco de la carrocería, para evitar problemas de resonancias.

8 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 120. 9 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 120.


7

1.3 ELEMENTOS DE LA SUSPENSIÓN.

En la figura 1.2 se muestra de forma esquemática la composición de la suspensión.

10Las masas no suspendidas 2 están constituidas por las ruedas, los frenos, los

puentes rígidos, y la parte de las suspensiones, bielas o brazos de empuje y reacción,

varillaje de la dirección, etc. los cuales de unen por un extremo al conjunto de la

rueda y el otro al bastidor o la carrocería.

El neumático 1 interpuesto entre las masas no suspendidas y el suelo. Las masas

suspendidas 4 están integradas por el bastidor, el grupo motopropulsor, el diferencial

suspendido (en un caso), los mandos de dirección y frenos, la carrocería, los

pasajeros, etc. y parte de los elementos citados anteriormente.

Los muelles 3 que están interpuestos entre las masas no suspendidas 2 y las

suspendidas 4 y los amortiguadores 7, que son los órganos elásticos de lo que se

conoce como sistema de suspensión.

El almohadillado 5 y la forma del asiento 6 contribuyen con la suspensión a

proporcionar comodidad al pasajero.

Como se explico anteriormente las irregularidades pequeñas en las carreteras son

absorbidas por los neumáticos sin llegar a afectar la suspensión, así mismo los

esfuerzos laterales como las curvas y los longitudinales como aceleraciones y

frenadas, son en buena parte atenuadas por la flexibilidad transversal y longitudinal

de los neumáticos.

11Cuando las irregularidades son grandes, los impactos que sufren las ruedas

provocan una compresión o una distensión en los muelles de la suspensión,

dependiendo si es una saliente o un bache de la carretera. En condiciones en las que

el vehículo se mantiene estático, el peso del mismo gravita en los muelles,

sometiéndolos a un prensado manteniendo al sistema en equilibrio. Hay que tomar en

10 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 658 11 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 660.


8

consideración que las masas suspendidas, debido a su inercia, tienden a seguir su

trayectoria inicial.

1. Neumático

2. Masas no

suspendidas

3. Muelle de

suspensión

4. Masas

suspendidas

5. Almohadillas

del asiento

6. Asiento

7. Amortiguador

Figura 1.2 Esquema de suspensión

Al pasar la rueda sobre una saliente es impulsada hacia arriba, almacenando energía

en el muelle comprimido, a continuación, el muelle se expande y hace subir la

carrocería. Como la energía transmitida a la carrocería (masas suspendidas) es la

generada por la rueda, y aquella tiene un peso muy superior al de las masas no

suspendidas, su recorrido vertical será muy inferior al de la rueda, esta es una de las

razones muy importantes por las que el peso de las masas no suspendidas sea el

menor posible. Después de que la energía acumulada en el muelle se termina, la

carrocería baja comprimiendo nuevamente al muelle, que vuelve a acumular energía,

y al expandirse vuelve a levantarla, dando origen a un movimiento oscilatorio que

continúa hasta ser amortiguado. Lo mismo sucede cuando la rueda cae en un bache,

en este caso la carrocería baja por falta de sustentación y comprime el muelle,

añadiendo a esto el efecto que la rueda produce al subir del bache, luego después se

produce el mismo proceso anterior.

12Cuando la rueda pasa sobre un obstáculo importante, el impacto que se transmite a

la carrocería es mayor cuanto más blanda sea la suspensión y más deprisa vaya el 12 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 659.


9

vehículo, causando choques desagradables en los pasajeros y sometiendo a los

elementos constructivos a esfuerzos mayores a los normales, los cuales pueden

causar hasta una rotura de piezas. Para vehículos que están diseñados para circular

por terrenos muy irregulares, las suspensiones son duras. Como dato adicional una

suspensión blanda genera frecuencias en la carrocería menores a los 50 Hz; las

suspensiones duras generan frecuencias mayores a 100 Hz.

13La misión de los amortiguadores es disminuir la amplitud y la aceleración lo más

rápido posible, hasta llegar a una posición de equilibrio del sistema.

Las barras estabilizadoras tienen como objetivo de contrarrestar la inclinación del

vehículo cuando toma las curvas a gran velocidad, conocido también como efecto

bamboleo, que hace que se comprima los muelles delantero y trasero que se

encuentran a la parte exterior de la curva, y expandir los muelles que se encuentran al

interior de la misma.

1.3.1 CLASES DE MUELLES.

Los muelles se construyen de acero de alta calidad, confiriéndole la elasticidad

deseada mediante diversos tratamientos; los muelles pueden ser de tres clases:

a. Ballestas.

b. Muelles helicoidales.

c. Barras de torsión.

a. Ballestas

14La ballesta figura 1.3, es un elemento que se comporta como un resorte de flexión,

puede soportar aparte de los esfuerzos de flexión, esfuerzos cortantes y poseen un

determinado amortiguamiento propio, debido a la fricción que se produce entre las

hojas cuando se flexionan.

13 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 660. 14 Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 111.


10

Figura 1.3 Conjunto de la ballesta y fijaciones.

15Esta constituida por varias hojas de acero especial para muelles, las cuales tienen

distintos radios de curvatura, adoptando una forma semielíptica. La hoja superior se

denomina hoja maestra, que asume la función de guía de los muelles así como de los

ejes, en general es más larga y gruesa que las demás hojas y en los extremos posee

unos terminales llamados ojos. Las hojas se unen mediante abrazaderas y un eje

rígido (en otros tipos de ballestas las hojas se unen mediante el llamado perno

capuchino). Dado que no pueden ser fijadas de forma rígida al vehículo por la

deformación elástica que se produce en la ballesta, se conecta a través de un

dispositivo llamado gemela.

Como se puede observar en la gráfica, las hojas van disminuyendo escalonadamente

de longitud desde las superiores (más largas) a las inferiores (más cortas). La razón

para este escalonamiento es conseguir una resistencia a la flexión aproximadamente

uniforme en todas las secciones de la ballesta.

16Aunque han sido la clase de resorte utilizado comúnmente en todo tipo de

vehículos, actualmente las ballestas se usan poco en los automóviles de turismo, pero

si se emplean en muchos vehículos todo terreno y en los vehículos industriales.

15 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 661,662. 16 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 663.


11

b. Muelles helicoidales.

Los muelles o resortes helicoidales son en la actualidad los más utilizados en los

automóviles, se emplean tanto en la suspensión delantera como la trasera.

17Sus propiedades elásticas dependen del diámetro de la espira, de la distancia entre

espiras (paso de la espira), y del diámetro y las propiedades del hilo utilizado. El

coeficiente del resorte es calculado para hacerlo compatible con cada automóvil; en

algunos casos esto es distinto de derecha a izquierda.

Los muelles están diseñados para soportar en forma adecuada la carga según su

dirección longitudinal, y proporcionar al mismo tiempo una conducción suave y

blanda como sea posible.

Figura 1.4 Clases de muelles helicoidales: a. Flexibilidad constante; b, c, d. Flexibilidad

variable.

En la figura 1.4 se muestran distintas clases de muelles. 18Cuando el diámetro de las

espiras y el paso son constantes (detalle a) su flexibilidad es constante. Al hacer

mayor el paso de las espiras centrales (detalle b) se consigue que las espiras externas

se flexen primero, y al aumentar la carga lo hagan las del medio. El mismo efecto se

logra con los muelles cónicos (detalle c), donde primero se comprimen las espiras de

mayor diámetro. El muelle en forma de doble cono (detalle d) tiene las espiras

centrales más separadas, siendo este muelle de flexibilidad variable.

17 Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 113. 18 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 664

a b c d


12

c. Barras de torsión.

19En varios diseños actuales (sobretodo de turismo) se utilizan barras de torsión

como elementos elásticos, especialmente en suspensiones independientes. En la

figura 1.5 se muestra la constitución de un a barra de torsión la cual puede ser de

sección circular o rectangular. 20La barra de torsión esta sujeta al bastidor y se

conecta indirectamente con la rueda. En algunos casos el extremo trasero de la barra

esta fijo al chasis y el delantero al brazo de control de la suspensión, que actúa como

palanca; al moverse verticalmente la rueda, la barra se tuerce. Las barras de torsión

pueden estar montadas longitudinalmente o transversalmente. 21Las barras de torsión

están hechas de una aleación tratada por calor para el acero, durante la manufactura

son precisamente estiradas para darles una resistencia contra la fatiga.

Figura 1.5 Barra de torsión

1.3.2 BARRA ESTABILIZADORA.

22La barra estabilizadora tiene la forma aproximada de una U ancha, y es un

elemento elástico cuya función es estabilizar la caja del vehículo frente a acciones

que produzcan balanceo. Cuando el vehículo circula por una curva se produce una

fuerza centrífuga, la carrocería sufre una inclinación con tendencia al vuelco.

19 LUQUE, Pablo. “Ingeniería del automóvil: sistemas y comportamiento dinámico”, Thomson, España, 2004. Primera edición. Pág 145. 20 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 664, 665. 21 Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 114. 22 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 665.


13

23La configuración más típica de estas barras transversal, uniendo elásticamente las

ruedas de un mismo eje, con el objetivo de oponerse al par de vuelco del vehículo

que origina una transferencia de carga entre las ruedas. Con esto se incide de forma

directa sobre la adherencia y la seguridad del vehículo. Por consiguiente, la barra

estabilizadora, anclada a la carrocería, uniendo ambas ruedas y trabajando a torsión

regula el balanceo e intenta mantener la estabilidad. En la figura 1.6 se muestra la

barra estabilizadora.

Figura 1.6 Barra estabilizadora

1.3.3 AMORTIGUADORES.

El peso del automóvil que descansa sobre un muelle sin amortiguador, continua

oscilando de arriba hacia abajo después de una sacudida. El sacudimiento se

detendrá gradualmente por la fricción en el sistema de suspensión. Un automóvil

bajo sacudimiento es muy difícil de controlar, por que el peso efectivo sobre las

llantas cambia de forma permanente. Los amortiguadores se instalan sobre un

sistema de suspensión para detener rápidamente el sacudimiento natural de los

muelles del automóvil, lo cual mejora el desplazamiento, control y manejo. El muelle

controla el peso del automóvil y el amortiguador controla el sacudimiento o la

oscilación.



14

24Un amortiguador en cualquiera de sus variantes, tiene la misión de neutralizar las

oscilaciones de la masa suspendida, originadas por el elemento elástico al adaptarse a

las irregularidades del terreno, transformando la energía que almacena el muelle en

calor.

En la actualidad y desde hace muchos años atrás se ha impuesto en la industria el uso

de los amortiguadores hidráulicos. En estos, la fuerza amortiguadora es función

creciente con la velocidad de desplazamiento del pistón del amortiguador.

Han existido otros tipos de amortiguadores hidráulicos, como son los giratorios y los

de pistón, pero apenas se estilan y los que actualmente se utilizan son los de tipo

telescópico (figura 1.7).

Figura 1.7 Amortiguador hidráulico telescópico

25Al pasar el vehículo sobre un obstáculo se generan tanto en la estructura del carro

como en las ruedas oscilaciones que van cediendo gradualmente hasta cesar al cabo

de un determinado tiempo. La duración de las oscilaciones depende de la aptitud

amortiguadora de los muelles. Las ballestas tienen una elevada eficacia de

amortiguación, llegando pronto al reposo. Los muelles helicoidales y barras de

torsión, por lo contrario, requieren largo tiempo para ello.

La misión entonces de los amortiguadores es frenar las oscilaciones para que su

duración sea la mínima posible. El empleo de los amortiguadores adecuados y su

24 http://tecnun.es/automocion.htm 25 Varios Autores, “Mecánica del Automóvil”, GTZ. Pág 115.


15

buen estado de funcionamiento son fundamentales para la comodidad, y lo que es

más importante, para la seguridad del vehículo.

Los amortiguadores más empleados actualmente en los automóviles son los

amortiguadores hidráulicos telescópicos de doble efecto, que pueden ser:

a. bitubo.

b. monotubo con gas.

c. Amortiguadores magnetoreológicos (poco difundidos en el mercado).

a. Amortiguador bitubo.

26Son los más comunes en la actualidad, existe en el mercado dos tipos: No

presurizados (aceite) y presurizados (con aceite y gas). Constan de dos cámaras, una

llamada interior y otra de reserva. Hay válvulas en el pistón y en la base del

amortiguador, llamada válvula de pie. En la figura 1.8 se puede apreciar la

constitución de un amortiguador bitubo.

27Como se puede observar en la figura 1.8, un amortiguador bitubo esta formado por

un cilindro interior concéntrico y solidario con un tubo o cilindro exterior, formando

entre ambos la cámara de reserva de aceite. La parte inferior del cilindro está cerrada

y se comunica con la cámara de reserva mediante la válvula de fondo. En el interior

del cilindro, totalmente lleno de aceite se desplaza el pistón de trabajo o émbolo que

está unido al vástago, este a su vez es portador, en este caso, del siletbloc a través del

cual se fija a la carrocería y tubo protector. El amortiguador se une al brazo de la

suspensión mediante otro silentbloc solidario al cilindro exterior. En consecuencia el

cilindro sigue las oscilaciones de la rueda y el émbolo, y a través del vástago, las de

la carrocería.

26 http://tecnun.es/automocion.htm 27 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 665, 666.


16

Figura 1.8 Estructura de un amortiguador bitubo doble efecto.

28El funcionamiento del amortiguador es el siguiente: cuando disminuye la distancia

entre la carrocería y la rueda, el émbolo se desplaza hacia abajo en relación al

cilindro, comprimiendo el aceite en la cámara de baja presión, que es obligado a

pasar a la cámara de alta presión a través de la válvula del émbolo. Como la

reducción del volumen en la cámara de baja presión es mayor que el aumento en la

cámara de alta presión ya que, parte del aceite pasa por la válvula de fondo

dirigiéndose hacia la cámara de reserva. Se puede decir que el mismo proceso sucede

cuando la distancia entre la carrocería y la rueda se alarga, con la diferencia que en

esta ocasión el aceite desalojado anteriormente hacia la cámara de reserva, vuelve a

la cámara de baja presión a través de la válvula de fondo. La amortiguación se

produce al ser frenado el émbolo por el paso del aceite de una cámara a la otra a

través de las válvulas.

28 Varios Autores. “Manual CEAC del Automóvil”, Editorial Ceac, 2002. Pág 666, 667.

Silentbloc superior

Tubo de

Guía

Cámara de alta presión

Barra de pistón o

Pistón de trabajo o émbolo y

Cámara de

Cámara de baja

Válvula de

Silentbloc inferior

Cilindro

Cilindro


17

29Los amortiguadores no presurizados tienen la desventaja de que se pueden formar

en ellos bolsas de aire bajo las siguientes condiciones:

• El amortiguador se almacena o transporta horizontalmente antes de ser

instalado.

• La columna de aceite de la cámara principal cae por gravedad cuando el

vehículo permanece estático durante mucho tiempo.

• El aceite se contrae como consecuencia de su enfriamiento al final de un viaje

succionado aire hacia la cámara principal.

30Los amortiguadores presurizados son uno de los más utilizados en los vehículos

cuando se busca mejorar las prestaciones de los amortiguadores de doble tubo

convencionales. La solución consiste en añadir una cámara de gas de baja presión (4

bares es una presión suficiente), ya que la fuerza amortiguadora en compresión la

sigue proporcionando la válvula de fondo. De esta forma la fuerza de extensión

realizada por el amortiguador en su posición nominal es baja.

Las ventajas de estos amortiguadores respecto a los no presurizados:

• Respuesta de la válvula más sensible para pequeñas amplitudes.

• Mejor confort de marcha.

• Mejores propiedades de amortiguación en condiciones extremas (grandes

baches).

• Reducción de ruido hidráulico.

• Siguen operativos auque pierdan el gas.

31Respecto a los amortiguadores monotubo, los de doble tubo presurizados tienen la

ventaja de tener una menor longitud y fricción para las mismas condiciones de

operación.

29 http://tecnun.es/automocion.htm 30 http://tecnun.es/automocion.htm 31 http://tecnun.es/automocion.htm


18

b. Amortiguadores monotubo.

32De aparición más tardía que los bitubo, su uso es cada vez más extendido, sobre

todo en vehículos de altas prestaciones y en competición.

Constan de dos cámaras principales. Una contiene el aceite y la otra el gas a presión

(normalmente nitrógeno) que están separados por un pistón flotante. Solamente hay

válvulas en el pistón. En la figura 1.9 se muestra un esquema simplificado de un

amortiguador monotubo.

Los amortiguadores monotubo tienen algunas ventajas respecto de los bitubo no

presurizados:

• Buena refrigeración debido a que la cámara esta en contacto directo con el

aire.

• Mayor diámetro del pistón a igual diámetro de carcasa, lo que permite reducir

las presiones de operación.

• El nivel de aceite no baja al quedar estacionado el vehículo.

• Debido a la presurización, el aceite no forma espuma, evitando problemas de

cavitación.

Figura 1.9. Esquema simplificado de un amortiguador monotubo

32 http://tecnun.es/automocion.htm


19

Como desventajas se puede citar las siguientes:

• Mayores costos derivados de requerimientos superiores de precisión,

tolerancia y estanqueidad del gas.

• Las válvulas son más complejas.

• Su mayor necesidad de espacio puede aumentar su longitud por encima de los

100 mm en aplicaciones de automóviles.

c. Amortiguadores magnetoreológicos.

Se trata de amortiguadores semiactivos que en vez de aceite llevan un fluido

magnetoreológico, prescindiendo de válvulas electromecánicas. Este fluido esta

compuesto de partículas metálicas flotando en él.

33Al magnetizarse, según si lo hace mucho o poco, modifica su viscosidad,

consiguiendo variar la dureza del amortiguador. A medida que aumenta el campo

magnético, el fluido se vuelve fibroso y su estructura llega a ser casi plástica. Las

reacciones del fluido al pasar por los orificios del amortiguador cambian con la

diferencia de viscosidad. Cuando no esta magnetizado, hay una gran diferencia de

velocidad entre las partículas que están próximas a las paredes del orificio, y las que

fluyen rodeadas de otras partículas del fluido. Gracias a esa diferencia de velocidad,

el caudal puede ser grande y, por tanto, el amortiguador es suave. Cuando el fluido

esta magnetizado, la velocidad de todas las partículas es muy semejante. El flujo es

más lento y, por tanto, la dureza del amortiguador aumenta.

34El amortiguador se endurece cuando es preciso limitar más los rebotes del muelle

para aumentar el contacto con el suelo, bien por razones de estabilidad o por frenada.

También actúa para frenar movimientos como balanceo o cabeceo, auque la amplitud

de esos movimientos depende de los muelles y las barras estabilizadoras, no de los

amortiguadores.

33

http://tecnun.es/automocion.htm 34

http://www.tecnoedu.com/Armfield/SerieR.php


20

35La desventaja con los amortiguadores tradicionales, es que generalmente las

propiedades del fluido son constantes y en consecuencia el coeficiente

amortiguamiento y el valor de la fuerza generada.

La principal ventaja de este sistema frente a los tradicionales es la rapidez de

variación del tipo de amortiguación, y las infinitas posibilidades de regulación que

permite.

En el desarrollo de los siguientes capítulos de esta tesis se explicará con más detalle

lo que es un fluido magnetoreológico y su aplicación en la construcción de un

prototipo de amortiguador magnetoreológico.

1.4 36TIPOS DE FLUIDOS

Antes de describir lo que es un fluido magnetoreológico, debemos primero conocer

tanto los tipos de fluidos convencionales y el avance de la tecnología en el campo de

los materiales para la construcción de dispositivos, y así, tener una visión más clara

de las aplicaciones en las diferentes áreas.

Los fluidos se pueden clasificar en tres grupos que son: Fluidos Newtonianos,

Fluidos No-newtonianos y Viscoelásticos.

1.4.1 FLUIDOS NEWTONIANOS.

Un fluido newtoniano se caracteriza por cumplir la Ley de Newton para fluidos, es

decir, que existe una relación lineal entre el esfuerzo cortante ττττ y la velocidad de

deformación ∂V/∂n. Si por ejemplo se triplica el esfuerzo cortante, la velocidad de

deformación se va a triplicar también. Esto es debido a que el término µµµµ (viscosidad)

es constante para este tipo de fluidos y no depende del esfuerzo cortante aplicado.

n

V

∂∂= µτ

35

http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf 36 http://www.plastunivers.com/tecnica/hemeroteca/ArticuloCompleto.asp


21

Hay que tener en cuenta que la viscosidad de un fluido newtoniano no depende del

tiempo de aplicación del esfuerzo, aunque sí puede depender tanto de la temperatura

como de la presión a la que se encuentre.

Para una mejor comprensión de este tipo de fluido se representan dos tipos de

gráficas, la “Curva de Fluidez” figura 1.10 y la “Curva de Viscosidad” figura 1.11.

Figura 1.10 Curva de Fluidez de fluidos Newtonianos

Figura 1.11 Curva de Viscosidad fluidos Newtonianos

Algunos ejemplos de fluidos newtonianos pueden ser: el agua, el aceite, etc.

τ

∂V/∂n

µ

∂V/∂n


22

1.4.2 FLUIDOS NO-NEWTONIANOS

Los fluidos no newtonianos son aquellos en los que la relación entre esfuerzo

cortante y la velocidad de deformación no es lineal. Estos fluidos a su vez se

diferencian en:

a. Independientes del tiempo de aplicación.

b. Dependientes del tiempo de aplicación.

a. Fluidos independientes del tiempo de aplicación

Estos fluidos se pueden clasificar dependiendo de si tienen o no esfuerzo umbral, es

decir, si necesitan un mínimo valor de esfuerzo cortante para que el fluido se ponga

en movimiento.

a.1 Fluidos sin esfuerzo umbral

a.1.1 Fluidos pseudoplásticos (SHEAR-THINNING)

Este tipo de fluidos se caracterizan por una disminución de su viscosidad, y de su

esfuerzo cortante con la velocidad de deformación. En las figuras 1.12 y 1.13 se

muestran las curvas de fluidez y viscosidad de este tipo de fluidos pseudoplásticos.

Figura 1.12 Curva de Fluidez fluidos Pseudoplásticos.

τ

∂V/∂n


23

Figura 1.13 Curva de Viscosidad de fluidos Pseudoplásticos.

Ejemplos de este tipo de fluidos pueden ser algunos tipos de salsas de tomate,

mostazas, algunos tipos de pintura, etc.

a.1.2 Fluidos dilatantes (Shear-thickening)

Los fluidos dilatantes son suspensiones en las que se produce un aumento de la

viscosidad con la velocidad de deformación, es decir, un aumento del esfuerzo

cortante con dicha velocidad.

En las figuras 1.14 y 1.15 se muestran las gráficas de las curvas de fluidez y

viscosidad de los fluidos dilatantes.

Conforme aumenta la velocidad de deformación aplicada, mayor turbulencia aparece

y más difícil es el movimiento de la fase continua por los huecos, dando lugar a un

mayor esfuerzo cortante, es decir, un aumento de la viscosidad.

Figura 1.14 Curva de Fluidez de fluidos Dilatantes.

µ

∂V/∂n

τ

∂V/∂n


24

Figura 1.15 Curva de Viscosidad de Fluidos Dilatantes

Ejemplos de los fluidos dilatantes son: las harinas de maíz (maicenas), almidones

concentrados, arena mojada, etc.

a.2 Fluidos con esfuerzo umbral, llamados plásticos

Este tipo de fluido se comporta como un sólido hasta que sobrepasa un esfuerzo

cortante mínimo (esfuerzo umbral) y a partir de dicho valor se comporta como un

líquido. En las figuras 1.16 y 1.17 se muestran las gráficas de fluidez y viscosidad de

los fluidos plásticos.

La razón por la que se comportan así los fluidos plásticos es la gran interacción

existente entre las partículas suspendidas en su interior. Están formados por dos

fases, con una fase dispersa formada por sólidos y burbujas distribuidos en una fase

continua.

Figura 1.16 Curva de Fluidez de fluidos Plásticos.

µ

∂V/∂n

τ

∂V/∂n


25

Figura 1.17 Curva de Viscosidad de fluidos Plásticos

En este tipo de fluidos se forman coloides cuyas fuerzas repulsivas que tienden a

formar estructuras de tipo gel. Si las partículas son muy pequeñas poseen entonces

una gran superficie específica, rodeados de una capa de absorción formada por

moléculas de fase continua. Gracias a esta capa, las partículas inmovilizan gran

cantidad de fase continua hasta que no se aplican sobre ellas un esfuerzo cortante

determinado.

Los fluidos plásticos, a su vez, se diferencian en la existencia de proporcionalidad

entre el esfuerzo cortante y la velocidad de deformación, a partir de su esfuerzo

umbral. Si existe proporcionalidad, se denominan fluidos plásticos de Bingham y si

no la hay, se denominan solo plásticos.

b. Fluidos dependientes del tiempo de aplicación

Este tipo de fluidos se clasifican en dos tipos: los fluidos tixotrópicos, en los que su

viscosidad disminuye al aumentar el tiempo de aplicación del esfuerzo cortante,

recuperando su estado inicial después de un reposo prolongado, y los fluidos

reopécticos, en los cuales su viscosidad aumenta con el tiempo de aplicación de la

fuerza y vuelven a su estado anterior tras un tiempo de reposo.

µ

∂V/∂n


26

b.1 Fluidos tixotrópicos

Los fluidos tixotrópicos se caracterizan por un cambio de su estructura interna al

aplicar un esfuerzo. Esto produce la rotura de las largas cadenas que forman sus

moléculas.

Dichos fluidos, una vez aplicado un estado de cizallamiento (esfuerzo cortante), sólo

pueden recuperar su viscosidad inicial tras un tiempo de reposo. La viscosidad va

disminuyendo al aplicar una fuerza y acto seguido vuelve a aumentar al finalizar

dicha fuerza debido a la reconstrucción de sus estructuras y al retraso que se produce

para adaptarse al cambio. Aparece un fenómeno de Histéresis como se muestra en las

figuras 1.18 y 1.19.

Figura 1.18 Curva de Fluidez de fluidos Tixotrópico.

Figura 1.19 Curva de Viscosidad de fluidos Tixotrópico

τ

∂V/∂n

µ

∂V/∂n


27

Las razones de este comportamiento son diversas. Si se considera al fluido como un

sistema disperso, se debe tener en cuenta que las partículas que hay en él poseen

diferentes potenciales eléctricos y tienden a formar tres estructuras variadas

dependiendo de cómo sea la fase dispersa. Si la fase dispersa está formada por una

serie de capas se denomina “Castillo de cartas, (Card House)” figura 1.20.

Si en cambio se compone de una serie de varillas se denomina “Armadura” figura

1.21, y si la fase dispersa está compuesta por formas esféricas se denomina

“Estructura de perlas encadenadas” figura 1.22.

Figura 1.20 Fase Dispersa tipo Castillo de Cartas

Figura 1.21 Fase Dispersa tipo armadura.


28

Figura 1.22 Fase Dispersa tipo estructura de perlas encadenadas.

Las fuerzas que actúan en estas estructuras son de tipo electrostático y se originan

por el intercambio de iones dentro del fluido, el cual provoca atracciones y

repulsiones entre ellos que dan lugar a cambios estructurales.

Estos cambios estructurales hacen que disminuya la viscosidad con el aumento de la

velocidad de deformación y que ésta esté muy influenciada por el tiempo. La

estructura puede volver a recuperar su forma inicial dejándola un tiempo en reposo.

Para diferenciar de forma sencilla un fluido tixotrópico, se aumenta la velocidad de

deformación hasta un determinado valor y luego se disminuye hasta el reposo,

observando entonces un fenómeno de histéresis, que ayuda a comprender la

variación de la viscosidad.

Algunos ejemplos de estos tipos de fluidos tixotrópicos son las pinturas, el yogurt, la

salsa de tomate, algunos aceites de petróleo, el nylon, etc.

b.2 Fluidos reopécticos

Los fluidos reopécticos, en cambio, se caracterizan por tener un comportamiento

contrario a los tixotrópicos, es decir, que su viscosidad aumenta con el tiempo y con

la velocidad de deformación aplicada y presentan una histéresis inversa a estos

últimos.


29

Esto es debido a que si se aplica una fuerza se produce una formación de enlaces

intermoleculares conllevando un aumento de la viscosidad, mientras que si cesa ésta

se produce una destrucción de los enlaces, dando lugar a una disminución de la

viscosidad. En las figuras 1.23 y 1.24 se muestran dichas gráficas.

Como ejemplo tenemos el yeso que al mezclarse con agua se convierte en un fluido

reopéctico, endureciéndose rápidamente.

Figura 1.23 Curva de Fluidez de Fluidos Reopécticos

Figura 1.24 Curva de Viscosidad de fluidos Reopécticos.

τ

∂V/∂n

µ

∂V/∂n


30

1.4.3 FLUIDO VISCOELÁSTICO

Los fluidos viscoelásticos se caracterizan por presentar a la vez tanto propiedades

viscosas como elásticas. Esta mezcla de propiedades puede ser debida a la existencia

en el líquido de moléculas muy largas y flexibles o también a la presencia de

partículas líquidas o sólidos dispersos.

Ejemplos de los fluidos viscoelásticos son la nata, la gelatina, los helados.

1.5 MATERIALES INTELIGENTES

Los materiales inteligentes o activos, son materiales capaces de responder de forma

controlable ante diferentes estímulos exteriores tanto físicos como químicos,

modificando sus propiedades.

37Existen diferentes tipos o clases de materiales inteligentes, su clasificación se da de

acuerdo al estímulo o comportamiento que recibe o produce respectivamente el

material. Para intereses de este estudio se centra en una de las clasificaciones.

1.5.1 MATERIALES ELECTRO Y MAGNETOACTIVOS

38Son materiales que actúan o reaccionan ante estímulos eléctricos o magnéticos

exteriores, se puede subdividirlos en los siguientes:

a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos.

b. Materiales piezoeléctricos.

c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos.

a. Materiales magnetostrictivos y electrostrictivos

Los materiales magnetostrictivos y electrostrictivos cambian sus dimensiones al estar

sometidos a un campo magnético o eléctrico respectivamente, por lo que son aptos

para ser utilizados en sensores y actuadores. Sus aplicaciones más comunes son a

37 www.icai.es/publicaciones/anales_get.php?id=290 38 www.icai.es/publicaciones/anales_get.php?id=290


31

modo de sonar, motores lineales, sensores de medida de tensiones mecánicas,

medidas del par en ejes, sensores de posición y antirrobo.

b. Materiales piezoeléctricos

Los materiales piezoeléctricos, poseen la capacidad de convertir la energía mecánica

en energía eléctrica y viceversa, son ampliamente aplicados como sensores y

actuadores, vibradores, zumbadores, micrófonos, etc.

c. Materiales electroreológicos y magnetoreológicos

Los materiales electroreológicos y magnetoreológicos son capaces de alterar sus

propiedades reológicas ante la presencia de un campo magnético o eléctrico exterior

respectivamente.

1.6 FLUIDOS MAGNETOREOLÓGICOS

39El descubrimiento y desarrollo de los fluidos magnetoreológicos puede acreditarse

a Jacob Rabinow. Estos fluidos se componen de partículas magnetizables muy

pequeñas suspendidas en un adecuado líquido portador. Normalmente los fluidos MR

son líquidos de consistencia similar a los aceites de motor, pero, cuando se aplica un

campo magnético exterior se produce un momento dipolar en las partículas de hierro,

formando una cadena paralela al campo como se muestra en la figura 1.26.

La alineación de las partículas de hierro suspendidas en el líquido provoca que se

pueda restringir el movimiento del fluido, en consecuencia, se desarrolla una fuerza

en el fluido que depende de la magnitud del campo magnético aplicado, lo

interesante es que esto ocurre en pocos milisegundos.

39 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 26.


32

Campo magnético

Partículas

suspendidas

Fluido

N

S

Figura 1.26 Formación de cadenas paralelas al campo magnético.

40Un fluido MR típico contiene del 20 al 40% de partícula de hierro del volumen

total neto, dichas partículas son suspendidas generalmente en aceite mineral, aceite

sintético, etc. Los aceites hidrocarburos son preferidos porque son muy buenos

lubricantes, durables, estables, los aditivos evitan la sedimentación de las partícula de

hierro y existen en el mercado un gran variedad de fluidos con diferentes

viscosidades. Otro factor que interviene en el desarrollo de la fuerza en el fluido es la

curva de saturación magnética de las partículas suspendidas. Es recomendable que el

nivel de saturación magnética de las partículas sea grande para así obtener un buen

fluido MR. Las aleaciones de hierro y cobalto tienen una de las mejores niveles de

saturación magnética, esto es alrededor de 2.4 teslas, pero, el precio de este tipo de

material es muy alto, por lo que no es muy utilizado para aplicaciones prácticas y

comerciales; podemos utilizar entonces partículas de hierro carbono que tienen una

saturación magnética de 2.15 teslas. El tamaño de las partículas influye en la

suspensión de las mismas en el fluido, esto es, mientras menor sea el tamaño de las

partículas la suspensión en el fluido es mucho mejor, favoreciendo la regulación de

la dureza de amortiguación; caso contrario mientras mayor sea el tamaño de las

partículas se torna difícil la suspensión de las mismas en el fluido y por consiguiente

la regulación de la amortiguación.



33

1.6.1 Modelado del Fluido magnetoreológico

41Para representar matemáticamente el comportamiento de un fluido MR a menudo

se utiliza el modelado de un plástico Bingham como se muestra en la figura 1.27;

este describe satisfactoriamente las características del fluido magnetoreológico. En

este modelo el esfuerzo cortante esta dado por:

( ) n

VH ∂

∂+= µττ 0

Donde:

τ0(H) = esfuerzo cortante dependiente del campo magnético.

µ = coeficiente de viscosidad.

∂V/∂n = velocidad de deformación del fluido.

Figura 1.27 Modelo visco-plástico de los fluidos MR


τ0

τ

Fluido Newtoniano

Fluido Bingham

Fluido Pseudos-plástico

Fluido Dilatante

∂V/∂n


34

42De lo anterior se deduce que la densidad de energía en los fluidos MR esta limitado

por la saturación magnética de las partículas de hierro. Un fluido MR tiene por lo

general un valor máximo de densidad de energía de 0.1 Joule/cm3. Para tener una

idea de la significativa ventaja de los fluidos MR en lo referente a la densidad de

energía que puede proporcionar respecto a otros fluidos como por ejemplo los fluidos

electroreológicos ER, dichos fluidos tienen una densidad de energía máxima de solo

0.001 Joule/cm3; teniendo en consideración que en ambos fluidos la viscosidad es

casi la misma. Esta una de las razones más importantes por las que la utilización de

los fluidos MR ha tenido una gran aceptación en la construcción de dispositivos

amortiguadores. Otra ventaja es el esfuerzo cortante que se puede obtener de los

fluidos MR con partículas suspendidas de hierro, que aproximadamente es de 100

kPa, y que, si comparamos con el esfuerzo cortante que puede proporcionar un fluido

ER que es de 2 a 5 kPa, esta claro los beneficios que obtenemos al utilizar los

fluidos MR.

43Si consideramos la gran densidad magnética que nos ofrecen los fluidos MR

podemos construir dispositivos de menores dimensiones con un gran rango de

servicio. Los fluidos MR pueden operar en un rango de temperatura comprendidas

entre -40 º a 150 ºC teniendo una ligera variación en su esfuerzo cortante (Carlson y

Weiss 1994). Esto se produce porque la polarización magnética de las partículas de

hierro suspendidas en el fluido no es afectada considerablemente por la temperatura.

Además, los fluidos MR no son afectados por las impurezas que por lo general se

producen durante el proceso de fabricación y el uso del dispositivo. Cabe mencionar

que la polarización magnética tampoco es afectada por los aditivos, al contrario, esto

facilita la estabilidad en los fluidos MR contra la separación de las partículas, aunque

las partículas y el líquido portador tengan una gran diferencia en sus densidades.

42 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 31. 43 fG.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 31, 32.


35

1.7 PROPIEDADES FÍSICO-QUÍMICAS

1.7.1 Propiedades reológicas

44Las propiedades reológicas de este tipo de fluidos están determinadas por lo

siguiente:

• Concentración y densidad de las partículas.

• Distribución de forma y tamaño de las partículas.

• Las propiedades del fluido portador.

• Aditivos adicionales.

• La intensidad de campo magnético aplicado.

• La temperatura.

• Otros factores.

1.7.2 Propiedades magnéticas

Es muy importante conocer las propiedades magnéticas de los fluidos

magnetoreológicos para tener una visión de los posibles diseños de dispositivos en

base a estos fluidos. 45En varios de los dispositivos, el fluido representa la mayor

reluctancia en el circuito magnético.

Los materiales super-paramagnéticos son los ideales para la construcción de este tipo

de fluidos magnetoreológicos, su comportamiento en presencia de un campo

magnético es muy conveniente para el funcionamiento esperado de este tipo de

amortiguadores. Una vez aplicado un campo magnético a un fluido

magnetoreológico, la primera reacción es la alineación de las partículas suspendidas

en la dirección del campo magnético aplicado, formando una estructura fibrosa que

cambia las características del fluido. Cuando quitamos el campo magnético, y debido

a que los materiales super-paramagnéticos no tienen remanencia ni histéresis

magnética, es decir, al quitar el campo magnético las partículas suspendidas en el

fluido no quedan magnetizadas, el fluido magnetoreológico se comporta como un

fluido newtoniano normal.

44 http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf 45 http://ingenierias.uanl.mx/2/pdf/2_Miguel_Cupich_et_al_Amortiguadores.pdf


36

Propiedades Magnitud

Máximo esfuerzo cortante τ0(H) 50 a 100 kPa

Máximo campo magnético ≅ 250 kA/m

Viscosidad plástica aparente η 0.1 a 10 Pa-s

Rango temperatura de operación -40 a 150 ºC

Estabilidad Insensible a la mayoría de impurezas

Densidad 3 a 4 g/cm3

Máxima densidad de energía 0.1 Joule/cm3

Suministro de energía 2 a 50 V, 1 a 2 A

46Tabla1.1 Propiedades de los fluidos MR.

1.8 APLICACIONES

Las áreas de aplicaciones de los fluidos magnetoreológicos son muy diversas, entre

ellas se puede mencionar las siguientes:

1.8.1 Robótica

47El sistema nervioso de los futuros robots puede utilizar fluidos magnetoreológicos

para mover las articulaciones y extremidades de forma semejante a los seres vivos.

1.8.2 Automotriz

En el área automotriz se lo aplica en la atenuación de las vibraciones esto es en el

sistema de suspensión, específicamente en los amortiguadores. El confort en los

vehículos se a segura con estos amortiguadores magnetoreológicos, porque mediante

un control electrónico se puede ajustar en una fracción de segundo la rigidez del

amortiguador garantizando así un viaje cómodo y seguro.

46 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 33. Tabla 2.2 47 http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/02apr_robotblood.htm


37

1.8.3 Construcciones civiles

Como se indicó anteriormente una aplicación importante de los fluidos

magnetoreológicos es la atenuación de las vibraciones. Una de las aplicaciones

importantes en el mundo de la construcción es la atenuación de los movimientos

producidos por los terremotos y las ráfagas de viento. 48En Japón ya se ha instalado

dispositivos en la construcción de edificios y puentes específicamente el Museo

Nacional de Ciencias Emergentes del Japón y el puente del Lago Dong Ting en

China figura 1.28.

Figura 1.28 Puente de Lago Dong Ting en China está equipado con aislantes de Movimiento

magnetoreológico para contrarrestar las ráfagas de viento. Imagen cortesía Lord Corporation.

1.8.4 Dispositivos y amortiguadores magnetoreológicos.

49La máxima fuerza que un amortiguador MR puede dar depende de las propiedades

del fluido MR, su diseño de circulación y el tamaño del amortiguador. Casi todos los

dispositivos que usan fluidos MR pueden ser clasificados de acuerdo a su función en

(Carlson y Spencer 1996):

a.- válvulas.

48 http://ciencia.nasa.gov/headlines/y2003/02apr_robotblood.htm 49 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 32.


38

b.- esfuerzo cortante directo.

c.- compresión.

d.- combinación de todos los anteriores.

50Dispositivos que se encuentran dentro de un funcionamiento a modo de válvula

pueden ser: servo-válvulas, amortiguadores y actuadores.

Dispositivos basados en el esfuerzo cortante directo pueden ser: embragues, frenos,

compuertas, amortiguadores y compuestos para la construcción.

Dispositivos basados en la compresión se han usado en algunos amortiguadores para

vibraciones de pequeña amplitud.



39

CAPITULO II


40

2 OBTENCIÓN DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO.

Un fluido MR básico debe tener tres características: partículas magnéticamente

polarizables, líquido portador, y aditivos estabilizadores que ayudan a que las

partículas de hierro se mantengan en suspensión y así evitar la sedimentación de las

mismas.

2.1 TIPOS DE FLUIDOS CONVENCIONALES PARA

AMORTIGUADORES.

Existen muchos aceites o fluidos que generalmente se utiliza para el llenado de los

amortiguadores, en nuestro medio el más utilizado es el conocido aceite hidráulico

que se puede encontrar en las marcas como son Castrol, Shell, PDVSA, Valvoline,

etc. Para el llenado del amortiguador MR se utiliza el fluido de transmisión

automática Valvoline ATF que cumple con la norma DEXRON III y MERCON.

A continuación se detalla las especificaciones de la norma DEXRON III para tener

mayor información de las características del fluido utilizado:

2.1.1 51NORMA GL ATF-1 DEXRON III

Descripción del producto

Lubricante diseñado para cubrir los más exigentes requerimientos de los principales

fabricantes de transmisiones automáticas. Asimismo, el perfecto equilibrio de sus

características físico-químicas le confiere al mismo una excelente alternativa de uso

en otro tipo de mecanismos, como determinadas cajas manuales, automáticas,

direcciones hidráulicas, etc.

51 http://www.amaoils.com/sgc/files/GL%20ATF-1%20Dexron%20III.pdf


41

Aplicación

Su utilización está dirigida a direcciones hidráulicas y cajas automáticas de todo tipo

de vehículos que requieran utilización de lubricante norma DEXRON III.

Atributos

· Control de la oxidación.

· Excelente protección frente al desgaste.

· Adecuado desempeño para facilitar la selectividad de las marchas.

· Inhibe la formación herrumbre y el ataque corrosivo.

· Buena fluidez a bajas temperaturas.

Niveles y especificaciones

Cumple Norma DEXRON III / MERCON / ALLISON C-4

Envases

Este producto se comercializa en los siguientes envases: Baldes de 20 Litros y

Botellas de 1 Litro.

Seguridad.

Peligro de incendio:

Medio de extinción: Polvo químico, espuma. De no contarse con extintores, puede

usarse arena o tierra para fuegos de poca magnitud. En ningún caso usar chorro de

agua, ya que puede extender el fuego.

Análisis típico

Los datos precedentes de Análisis Típicos no conforman una especificación, los

mismos son representativos de valores estadísticos de producción.


42

Ensayo Valores Valores

Viscosidad @ 40ºC ASTM D-445 cSt

Viscosidad @ 100ºC ASTM D-445 cSt

Indice de Viscosidad ASTM D-2270

Densidad ASTM D-1298 gr/cm3

Punto de Inflamación ASTM D-92 ºC

Color

39.00

7.00

142

0.90

240

Rojo

Derrames:

Se procederá a su absorción con arena, tierra o material similar y su eliminación o

disposición final será de acuerdo a las normas vigentes.

Peligros para la salud:

Los productos de alta refinación comercializados por Ama Racing Oils, no presentan

riesgos para la salud y la seguridad siempre que su uso de aplicación sea el

recomendado. Evitar el contacto prolongado con la piel, la salpicadura en los ojos y

su ingestión

2.2 OBTENCIÓN DE LAS PARTÍCULAS DEL MATERIAL

MAGNÉTICO.

Se pueden obtener las partículas magnéticas de distintos procesos con arranque de

viruta como son: roscado, taladrado, limado, fresado, etc. En los mismos, el tamaño

de las limallas es variado.

Para el caso de estas tesis se ha utilizado la limalla se obtiene del proceso de una

limadora automática figura 2.1. El material del cual se obtiene las partículas en este


43

caso es de una placa de hierro que tiene muy buenas características magnéticas. En el

proceso se utiliza refrigerante el cual humedece las limallas como se muestra en la

figura 2.2.

Figura 2.1 Limadora automática.

Figura 2.2 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro.


44

Recolectadas las limallas de hierro se procede a secarlas al ambiente teniendo

cuidado de esparcirlas de tal forma que evitemos que se formen volúmenes grandes

semicompactos, esto nos evitará molestias en los pasos siguientes, en la figura 2.3 se

muestra la forma correcta de secado.

Figura 2.3 Proceso de limado y obtención de limallas de hierro.

Un consejo para el secado, es poner las limallas sobre papel absorbente o como en

este caso se utiliza papel periódico, el objetivo es acelerar dicho proceso.

Como el tamaño de las limallas es variado, se realiza un filtrado de las mismas para

obtener las limallas más pequeñas, cumpliendo así las recomendaciones hechas en el

capítulo anterior.

Para empezar, una vez que se ha secado las limallas, procedemos a pulverizar las

mismas utilizando un mortero o algún otro método que sirva para moler los pedazos

que se forman en el proceso de secado. La figura 2.4 a, 2.4 b, muestra este paso; la

consistencia debe ser hasta obtener una especie de harina muy fina, recuerde que

mientras mas fina es la partícula es mejor el resultado del fluido MR.


45

Figura 2.4 a Pulverizado de las limallas de hierro.

Figura 2.4 b Consistencia de las limallas de hierro.

Pulverizadas las limallas el siguiente paso es filtrar las limallas grandes o gruesas de

las pequeñas, para esto se utiliza un colador o tela muy fina que permita pasar las

limallas de menor tamaño, puede servir la tela tipo tergal o visillo llano, se

recomienda utilizar el que tenga los orificios más pequeños.

Todo este proceso es tedioso, porque se lo realiza en pocas cantidades, pero, se debe

ser lo más minucioso posible, ya que de este paso depende el éxito en la obtención de

un fluido MR de calidad. En las figuras 2.5 a y 2.5 b se muestra el paso de filtrado.


46

Figura 2.5 a Filtrado de las limallas de hierro.

Figura 2.5 b Filtrado de las limallas de hierro.

Aproximadamente se obtiene un 60% de limalla útil, es decir, una limalla del tamaño

requerido; hay que considerar que del proceso de filtrado también se obtiene óxido

que se puede eliminar mediante un proceso de tamizado con gasolina, claro esta que

en el mismo se obtienen partículas mas pequeñas que se puede aprovechar

secándolas al sol y así no desperdiciar limallas.

Concluido con todos estos pasos se ha obtenido las partículas de hierro magnético

que sirve para conseguir el fluido MR que se quiere.


47

2.3 MEZCLA DEL FLUIDO Y DE LAS PARTÍCULAS DEL

MATERIAL MAGNÉTICO.

Como se menciona en los temas anteriores la viscosidad es una de las más

importantes características en un aceite y por consiguiente en el fluido MR. En

general, una baja viscosidad es preferida en los fluidos MR cuando este aún no es

energizado. Otra importante propiedad de los aceites es la baja presión de

vaporización, es decir, el fluido no se vaporizará y el gran rango de temperatura de

trabajo.

Los agentes estabilizadores son aditivos en primer lugar ayudan a que las partículas

de hierro no desciendan o se sedimenten muy rápido y se endurezcan en el fondo del

cilindro exterior del amortiguador, dificultando la mezcla del mismo. Entonces, estos

agentes estabilizadores ayudan a inhibir las inevitables leyes de la gravedad y

suavizan los sedimentos producidos facilitando así la mezcla del mismo. Otras

características de los agentes es proveer durabilidad y resistencia a la corrosión.

2.3.1 PROCESO DE MEZCLADO.

Obtenidas las limallas de hierro y realizado el proceso anterior se procede a la

mezcla del aceite hidráulico con las limallas, se puede utilizar una mezcladora de

pinturas por algunos minutos para obtener un mejor resultado. Los siguientes son los

porcentajes recomendados a partir del volumen necesario para llenar la cámara del

amortiguador: El amortiguador que se utiliza para este proyecto tiene un volumen

neto de la cámara aproximado de 450 mililitros.

% Volumen Aceite hidráulico % Volumen Limallas de hierro

80 20

70 30

60 40

Tabla 2.1 % de volúmenes de aceite y limallas de hierro


48

En la figura 2.6 se muestra el fluido MR el cual tiene un color oscuro rojizo debido a

que el aceite es color rojo.

Figura 2.6 Fluido Magnetoreológico.

2.4 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO DEL FLUIDO

MAGNETOREOLÓGICO.

Las pruebas de funcionamiento del fluido MR se la realiza de forma visual en este

capitulo, ya que, en el capítulo IV es donde se realiza las pruebas del amortiguador;

se obtiene los valores de viscosidad para los diferentes valores de corriente o campo

magnético.

Para probar el funcionamiento basta colocar un imán o electroimán dentro del fluido

MR, vemos que las partículas suspendidas se alinean paralelamente a las líneas del

campo magnético cambiando claramente las propiedades del fluido como lo es la

viscosidad. En la figura 2.7 a, b y c se muestra el proceso donde se observa que el

fluido se adhiere a la culata del electroimán cuando este es energizado, para mayor

aclaración del funcionamiento del fluido, se adjunta un video con esta prueba en un

CD.


49

Figura 2.7 a . Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.

Figura 2.7 b Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.


50

Figura 2.7 c Prueba visual de funcionamiento del fluido MR.


51

CAPITULO III


52

3 DISEÑO Y CONSTRUCCION DE UN PROTOTIPO DE

AMORTIGUADOR MAGNETOREOLÓGICO

3.1 DISEÑO PARA LA ADAPTACIÓN DE UN AMORTIGUADOR

COMERCIAL ESTÁNDAR.

Para comenzar con el diseño se debe considerar las diferentes áreas en las cuales se

realizará algún cambio en el amortiguador para alcanzar los objetivos planteados de

esta tesis, es decir, transformarlo en un amortiguador magnetoreológico. Siendo así,

los cambios se harán en la parte mecánica, de fluidos, y por último se adicionará la

parte electromecánica (electroimán).

3.1.1 DISEÑO DE LA GEOMETRÍA DE UN AMORTIGUADOR MR.

Para el diseño de un amortiguador debemos tomar en consideración los datos que se

detallan en la figura 3.1.

52Lo importante en el diseño de la geometría de un amortiguador MR es escoger una

apropiada distancia del entrehierro h (que en este caso también simula la función de

válvula) y la longitud del polo L de tal manera que se pueda obtener un rango

dinámico D y una fuerza controlable Fττττ lo mas cercana al resultado planteado.

53En la siguiente ecuación obtenemos el rango dinámico D:

f

f

uc FF

FFF

F

FD

+++

==η

ητ

52 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 66. 53 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 66, 67.


53

Donde:

F= Fuerza de Resistencia del amortiguador que incluye a la Fuerza Controlable Fττττ

causada por el esfuerzo de fluencia del fluido dependiente del campo magnético ττττ0 ,

la Fuerza Visco-plástica Fηηηη y la Fuerza de Fricción Ff .

Fuc= Fuerza Incontrolable que incluye la Fuerza Viscosa Fηηηη la Fuerza de Fricción Ff .

Figura 3.1 Circuito magnético del amortiguador MR

Conocer el valor de la fuerza de fricción exacta es casi imposible antes de construir y

probar el amortiguador. Se puede asumir razonablemente que Fηηηη= Ff . Además,

debido a que Fττττ + Fηηηη >> Ff la ecuación 1.4 se puede escribir de la siguiente forma:

η

ητ

F

FFD

2

+=

Carcasa

Bobina

Distancia entrehierro h

Pistón del amortiguador

Lc

Ls

c


54

Debido a que

( ) LAdxdpFF p0τητ =+ y ( ) LAdxdpF p00== τη

Donde:

Ap= área de la sección transversal del pistón.

L = Longitud polar.

( ) =0τdxdp Gradiente de presión con el esfuerzo de fluencia del fluido.

( ) ==00τdxdp Gradiente de presión sin el esfuerzo de fluencia del fluido.

La ecuación anterior se puede manipular de la siguiente manera:

( )( ) D

dxdp

dxdp2

00

0 ==τ

τ

54Para determinar la distancia del entrehierro h debe cumplir primero con la siguiente

condición para obtener los mejores resultados en el funcionamiento del

amortiguador:

( )( ) D

dxdp

dxdp2

00

0 ≥=τ

τ



55

Hay que tener en cuenta que la geometría de diseño debe ser de tal forma que no

cause problemas a la hora de la fabricación. La longitud polar L puede ser calculada

por la siguiente ecuación:

( ) ( )[ ]000 =−=

ττ

τ

dxdpdxdpA

FL

p

La fuerza de resistencia F puede ser considerada por la siguiente ecuación:

( ) ( ) ( )[ ] LAdxdpdxdpFLAdxdpF pfp 0000 =+=+= τττ

El gradiente de presión con el esfuerzo de fluencia del fluido debido a la aplicación

del campo magnético se calcula de la siguiente manera:

x

PP

dx

dp if −=

0τ

Donde:

Pf = Presión debida a la aplicación del campo magnético en Pa.

Pi = Presión atmosférica en Pa.

x = Distancia de carrera del pistón del amortiguador en m.

De igual forma para la ecuación del gradiente de presión sin el esfuerzo de fluencia

del fluido, es decir, sin la aplicación del campo magnético se tiene un a ecuación

similar a la anterior.


56

x

PP

dx

dp if −=

=00τ

Donde:

Pf = Presión sin la aplicación del campo magnético en Pa.

Pi = Presión atmosférica en Pa.

x = Distancia de carrera del pistón del amortiguador en m.

3.1.2 ADAPTACIÓNES MECANICAS EN EL AMORTIGUADOR.

Una vez que se tiene el amortiguador al cual se realizará la adaptación, lo primero

que debe investigarse son los catálogos, para buscar las características del

amortiguador, en caso de no encontrar la información necesaria, se puede seguir el

siguiente procedimiento:

Abrir el amortiguador.- Tomando una sierra se corta alrededor de la parte superior

del cilindro exterior, teniendo cuidado de no dañar el cilindro interior del

amortiguador en caso de tener un amortiguador bitubo. Ya que el amortiguador esta

lleno de aceite hidráulico a presión, cuando ya este cerca de cortarlo completamente

el aceite fluirá con mucha presión, así que asegúrese de contar con todas las

protecciones necesarias como son gafas, guantes, etc. y un recipiente para recoger el

fluido extraído del amortiguador. En la gráfica de la figura 3.2 se muestra este

primer paso.


57

Figura 3.2 Procedimiento de corte del cilindro del amortiguador.

Medidas de los componentes.- cumplido el paso anterior, se toman las medidas de

los componentes del amortiguador (cilindro exterior, cilindro interior, pistón). En la

figura 3.3 se puede observar los componentes del amortiguador bitubo. En las

láminas del anexo se detallan los dibujos de conjunto y despiece.

Figura 3.3 Componentes del amortiguador bitubo.


58

Trabajos en el torno.- para la adaptación, se requiere realizar dos trabajos. En primer

lugar hacer un agujero a través del émbolo del pistón de 30 cm de largo y de un

diámetro 7 mm para poder alimentar de energía a la bobina del electroimán.

Para alojar la bobina del electroimán se necesita construir un núcleo de 2 cm de

diámetro y con un a longitud de 5 cm. El diámetro de las culatas es de 4 cm y con

una altura de 1 cm como se muestra en la figura 3.4.

4 cm

5 cm

1cm

2cm

Figura 3.4 Núcleo del electroimán.

Luego de la construcción del núcleo realizados la unión de la misma con el émbolo

del pistón, cabe anotar que se realiza un agujero en el núcleo de 5 mm de

profundidad y un diámetro de 2 cm para facilitar y centrar el acople del émbolo y

núcleo. El siguiente paso es soldar alrededor de la unión de los mismos.

Durante el proceso de diseño se debe tomar en consideración algunos aspectos o

problemas prácticos, tal como es el centrado del pistón del amortiguador y la

supresión de sobrevoltaje. A continuación se discutirá este tipo de problemas y las

soluciones a las mismas.


59

55Generalmente el pistón del amortiguador no se queda centrado durante el

funcionamiento del mismo. Este problema puede ser debido un error de construcción

o a sobrepeso a uno de los lados debido a inapropiada instalación que produce un

cabeceo. Para solucionar este tipo de problema se coloca unos cojinetes de bronce

alrededor de la cabeza del pistón, que nos sirve como núcleo para la bobina del

electroimán como se muestra en la figura 3.5.

Figura 3.5 Cojinetes de bronce colocados en la cabeza del pistón para centrado

Debido a que el bronce es un material más suave que el acero, no se corre el riesgo

de producir un desgaste considerable en la superficie del cilindro del amortiguador.

Terminado el trabajo que servirá para alimentar y alojar la bobina del electroimán a

través del agujero, y la construcción del núcleo, ahora se debe construir un

mecanismo para sellar herméticamente el amortiguador que previamente se había

abierto para realizar los trabajos o adaptaciones necesarias. Dado que es un prototipo

de amortiguador, se necesita realizar algunas pruebas con diferentes porcentajes de

limallas de hierro mezcladas con el aceite hidráulico, es decir, el mecanismo de


Vástago

Cojinete de bronce

Bobina

Cabeza del pistón


60

sellado debe ser tal que se pueda abrir y cerrar las veces que sean necesarias para

realizar las pruebas que se detallan en el capitulo IV.

Mecanismo de sellado.- Una solución para sellar herméticamente el amortiguador y

que se pueda abrir y cerrar las veces que se requiera es realizar un trabajo de

roscado. En la figura 3.6 se puede observar las piezas en las cuales se efectuará el

trabajo de roscado.

Figura 3.6 Piezas en las que realiza el trabajo de roscado.

Primeramente se suelda un pedazo de tubo a la tapa del cilindro del amortiguador de

2 cm de ancho como se muestra en la figura 3.7, esta extensión sirve para realizar el

roscado en la misma y poder acoplar con el cilindro exterior del amortiguador al cual

también se le hace el roscado figura 3.8.

Figura 3.7 Proceso de roscado en la tapa del amortiguador.


61

Figura 3.8 Proceso de roscado el cilindro exterior y la tapa del amortiguador.

Concluido el trabajo de roscado se acopla las dos piezas para comprobar que los

mismos se deslicen sin dificultad, en caso de que exista un poco de dificultad se lima

la rosca del cilindro exterior o macho en el torno y probarlo nuevamente hasta que no

exista mucha resistencia al roscado; hay que considerar que el roscado debe quedar

un poco apretado para evitar que se filtre el fluido que se encuentra en el

amortiguador. En la figura 3.9 se observa el acoplamiento de la tapa y el cilindro.

Figura 3.8 Acoplamiento del cilindro y la tapa del amortiguador.


62

Otra de las adaptaciones importantes es la eliminación del cilindro interior del

amortiguador que como se recordará es un amortiguador bitubo; las razones por la

que realiza estos cambios, es porque se necesita un espacio mayor para el

alojamiento del electroimán, ya que, por el número de espiras, este ocupa un mayor

espacio; además dado que no se puede evitar por completo que se sedimente las

partículas de hierro, las mismas pueden tapar los orificios en la parte inferior del

cilindro, perjudicando así el buen funcionamiento del amortiguador.

Al realizar este último paso, hay que considerar que se debe soldar a la tapa del

cilindro la base para la ubicación del retenedor (figura 3.9) que sirve para evitar que

el fluido escape por la parte superior del amortiguador.

Figura 3.9 Retenedor de aceite y tapa del amortiguador.

Por último se realiza un orificio a un costado de la tapa del amortiguador para poder

llenar completamente la cámara y cerrarlo con un perno.


63

3.2 DISEÑO Y CONSTRUCCION DEL ELECTROIMÁN.

Para completar el diseño, que en la sección anterior ya se realizó un adelanto, nos

centrearemos específicamente en lo que se refiere al circuito magnético.

56Un circuito magnético típico para un amortiguador MR usa acero con bajo

contenido carbono, el cual contiene una alta permeabilidad y saturación magnética,

así como también un conducto de flujo magnético para guiar y focalizar el flujo

magnético. En el trabajo de diseño del circuito magnético lo más apropiado es el

determinar el valor de los amperios-vuelta (NI ) necesarios para el circuito

magnético. Uno de los objetivos más importantes en el diseño es el maximizar la

energía del campo magnético en el fluido y minimizar las pérdidas de flujo en el

hierro y las regiones donde no se realice trabajo.

En la figura 3.10 se muestra el circuito magnético en serie, donde se puede apreciar

el recorrido del flujo magnético por las diferentes secciones del núcleo.

Figura 3.10 Circuito magnético en serie.

57El flujo magnético establecido por el electroimán está definido por la letra griega fi

Φ, sus propiedades son similares a las de la corriente que atraviesa un circuito

56 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 68. 57 BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A. México, 1993. Segunda edición. Pág 196.


64

eléctrico, una de ellas, es que siempre busca el paso a través de la menor resistencia.

En el circuito magnético el flujo buscará el camino con menor reluctancia R.

[ ]weberporvueltaampereA

l −=ℜµ

l = longitud media en metros.

A = superficie en m2.

µ = permeabilidad.

58La permeabilidad µ es una medida de la facilidad con que las líneas de flujo pueden

establecerse en el material. Dicha permeabilidad esta determinada por la siguiente

relación:

rµµµ 0=

µr = permeabilidad relativa.

µo = permeabilidad del aire.

La permeabilidad relativa µr es una medida de la calidad del material en comparación

con el aire µo. la permeabilidad del aire en el sistema SI es:

( )[ ]mvueltaAmpWbxo −= −7104πµ

58 BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A.

México, 1993. Segunda edición. Pág 196, 197.


65

59Para materiales ferromagnéticos µr≥ 1000, para materiales como el aire, vidrio y

madera µr = 1.

Una bobina de N espiras y corriente I alrededor de un núcleo ferromagnético produce

una fuerza magnetomotriz F (fmm) que esta dada por:

[ ]espiraAmpereNIF −=

N = número de espiras.

I = intensidad de corriente en Amperios.

60El flujo magnético establecido por una fuerza magnetomotriz en particular se

determina mediante la reluctancia del núcleo, cuanto mayor sea la oposición, menor

es el flujo magnético. Como se puede deducir existe una similitud o semejanza entre

la ley de Ohm para circuitos eléctricos y los circuitos magnéticos, cuya ecuación se

la expresa de la siguiente manera:

[ ]WbNIF

ℜ=

ℜ=Φ

Si consideramos la figura 3.11 se observa en una apreciación general el

comportamiento del flujo magnético cuando debe atravesar una determinada

superficie, donde recibe el nombre de densidad de flujo o inducción magnética, que

viene dada en Teslas y está determinada por la ecuación:

[ ]TA

BΦ=


México, 1993. Segunda edición. Pág 197. 60 BOYLESTAD, Robert. “Electricidad Electrónica y Electromagnetismo Principios y Aplicaciones”, Editorial Trillas S.A.

México, 1993. Segunda edición. Pág 198.


66

B = inducción magnética o densidad de flujo magnético en teslas (T).

Φ = flujo magnético en webers (Wb).

A = área en m2.

I

I

N espiras

1

2

3

Figura 3.11 Recorrido del flujo magnético.

61La fuerza magnetomotriz por unidad de longitud necesaria para establecer un flujo

determinado en el núcleo se conoce como intensidad de campo magnético H, que

está determinado por:

[ ]mvueltaAmpl

NI

l

FH /−==

La intensidad de campo magnético H y la inducción magnética B se relacionan de la

siguiente manera:


México, 1993. Segunda edición. Pág 199.


67

[ ]THB µ=

Existen curvas en las cuales se proporcionan las relaciones entre B y H para

diferentes materiales, donde, dependiendo de la necesidad de diseño se puede obtener

los datos necesarios.

La fuerza magnetomotriz F producida por la circulación de corriente en la bobina,

debe ser la suficiente para que el flujo pueda atravesar todo el circuito magnético.

En la figura 3.11 se considera que en los segmentos 1, 2 y 3 se produce una caída de

fuerza magnetomotriz (análoga a lo que sucede con un circuito eléctrico en serie con

el voltaje). Si se traduce en ecuaciones aplicando la Ley de Ampere se tiene:

332211

321

lHlHlH

dlHdlHdlH

dlHNIF

++=

⋅+⋅+⋅=

⋅==

∫∫∫

∫

En el caso de que exista uno o más entrehierros, se considera como otra caída de

fuerza magnetomotriz. El calculo de esta caída se la realiza como si se tuviera una

sección sólida, tomando en cuenta el tipo de material que se tiene en el entrehierro,

ya que, no se puede considerar para esta tesis como el aire.

Otro punto importante a considerar es que en los bordes del núcleo próximo al

entrehierro existe una dispersión de flujo, podemos considerar para cálculos que

existe una caída adicional entre un 10 a 20% a la calculada. La caída NI en el

entrehierro es a menudo mucho mayor que la caída en el núcleo, se puede decir que

la magnitud de la fuerza magnetomotriz es justamente para vencer la caída en el

entrehierro, es decir, la caída en el núcleo es casi insignificante en relación a la caída

en el entrehierro.


68

3.2.1 CALCULO DEL ELECTROIMAN.

Una consideración adicional muy importante que se debe hacer, es que el espacio del

entrehierro está ocupado por una mezcla de aceite hidráulico y limallas de hierro, por

lo tanto, debe tener una permeabilidad resultante de dicha mezcla. Para efectos de

cálculo se puede considerar una permeabilidad aproximada, tomando como base la

permeabilidad del hierro. Al realizar las mediciones de la inducción magnética se

realizará las correcciones para así obtener un valor real de la permeabilidad de la

mezcla.

De las figuras 3.12 y 3.13 se puede sacar muchos parámetros que servirán para la

obtención de de los datos requeridos para la construcción del electroimán.

Figura 3.12 Dimensiones del circuito magnético del amortiguador MR.

En primer lugar se observa que el flujo magnético Φ1 se divide para las dos secciones

del núcleo Φ2 y Φ3, por lo tanto el flujo total Φ1 viene dado por:


69

[ ]Wb321 Φ+Φ=Φ

Figura 3.13 Dimensiones del núcleo del electroimán.

Por otro lado el flujo magnético Φ1 también esta dado por:

De la gráfica 3.12 se calcula el área de la sección transversal del núcleo A1 que es:

[ ]22

1 2m

dA

=π

Obtenemos así que:

[ ]Wbd

B2

11 2

=Φ π

[ ]WbAB 111 =Φ

a

L3

La

d

A1


70

Los flujos magnéticos Φ2 y Φ3 son iguales por la geometría del núcleo. Dado que la

sección por donde circulan Φ2 y Φ3 es circular, se debe calcular el área de la sección

lateral de la culata y dividirla para dos (ver figura 3.13).

Figura 3.13 Superficie lateral de la culata del núcleo.

[ ]232 2

mal

AA aπ==

Entonces:

[ ]Wbal

B a

=Φ=Φ2232 π

Se considera que el flujo en el entrehierro es igual a Φ2, además el espacio del mismo

está ocupado por una mezcla aceite hidráulico y limallas de hierro, por lo tanto el

medio tendrá una permeabilidad del fluido µf. Otra consideración importante es que

se produce una dispersión en los bordes de la culata del núcleo hacia el entrehierro,

por lo tanto, se debe considerar que existirá un 10 a 20% de caída de de fuerza

magnetomotriz F. Entonces, se calcula primero la intensidad de campo magnético

Hg1 en el entrehierro añadiendo un 15% a la misma:

[ ]mvueltaAmpA

H g /%151

2

2

11 −+

Φ=µ

A2 A3


71

Ahora se realiza el cálculo del número de espiras N necesarias para producir el flujo

magnético requerido aplicando la siguiente ecuación:

[ ]vueltaAmpFFFFFF gg −++++= 22311

F1=F2 = caída de fmm en la sección 1 del núcleo.

Fg1=Fg2 = caída de fmm en el entrehierro

F3= caída de fmm en la sección del cilindro interior del amortiguador.

La ecuación anterior se puede reemplazar de la siguiente manera:

[ ]vueltaAmpl

HlHlHlHl

HNI agggg

a −

++++

=22 223311

Ahora se puede obtener el número de espiras necesarias N si se conoce el valor de la

intensidad de corriente I. Los valores de la intensidad de campo magnético se

obtienen de curvas B-H para cada material utilizado.

Debido a que no se cuenta con la curva B-H del fluido magnetoreológico, y por

consiguiente, el valor de Hg para un determinado Bg. En primera instancia se puede

suponer el valor de la permeabilidad magnética del fluido magnetoreológico, como

un valor promedio entre la permeabilidad de las limallas de hierro y el aceite que se

considerara como si fuese igual a la permeabilidad magnética del aire. Partiendo de


72

este supuesto se realiza el cálculo para el dimensionamiento del electroimán

utilizando las ecuaciones anteriormente descritas.

Imponiendo un valor de inducción magnética de 0.7 T y tomando un valor de

permeabilidad magnética del fluido próximo a la del aceite hidráulico que es 1.26 x

10-6 Wb/ A-m.

Después de construido el electroimán, se realizará las correcciones de estos valores

supuestos para obtener una medida más aproximada a la realidad de el fluido

magnetoreológico obtenido en el desarrollo de esta tesis; el procedimiento de estas

correcciones se explica en el capítulo V de Pruebas y Mediciones.

En la siguientes tabla se muestran los resultados obtenidos para la construcción del

electroimán del amortiguador magnetoreológico, recuérdese que los valores

resaltados se corregirán al realizar las pruebas del capitulo V.

DATOS MAGNETICOS

Inducción Magnética Material B1= 0,7 Tesla Hierro colado

Bg1= 0,7 Tesla Hierro-aceite Bc= 0,7 Tesla Acero colado

Bg2= 0,7 Tesla Hierro-aceite

B2= 0,7 Tesla Hierro colado

Permeabilidad magnetica Material µf= 1,26E-06 Wb/A-m Aceite µh= 0,000175 Wb/A-m Hierro

µg= 8,81E-06 Wb/A-m Hierro-aceite

Intensidad de Campo Magnético Material H1= 4000 Amp-vuelta/m Hierro colado

Hg1= 79429,63 Amp-vuelta/m Hierro-aceite Hc= 375 Amp-vuelta/m Acero colado

Hg2 =79429,63 Amp-vuelta/m Hierro-aceite

H2= 4000 Amp-vuelta/m Hierro colado Tabla 3.1 Datos magnéticos para el cálculo del electroimán.


73

DATOS GEOMETRICOS d= 0,02 m

La= 0,04 m

Lg= 0,003275 m

Lh= 0,05 m e= 0,0027 m a= 0,01 m

L1= 0,020009 m L2= 0,020009 m

L3= 0,06 m

Tabla 3.2 Datos geométricos para el cálculo del electroimán.

DATOS ELECTRICOS P= 24 Watios V= 12 Voltios

I= 2 Amperios

Tabla 3.3 Datos eléctricos para el cálculo del electroimán.

CALCULOS A1= 0,000314159 m2 A2= 0,000628319 m2 A3= 0,000628319 m2 Φ1= 0,000219911 Webers Φ2= 0,000439823 Webers

Φ3= 0,000439823 Webers

Φg= 0,000505796 Webers

N= 351,3820482 Espiras

Tabla 3.4 Valores para la construcción del electroimán.

DIMENSIONES BOBINA DATOS BOBINA MEC./ELEC. δ= 3,5 Amp/mm2 awg= 21

S= 0,571428571 mm2 longitud media= 0,0357 Km dc= 0,852974474 mm 0,130305 Kg Nc= 58,61840125 Espiras/capa 0,286671 Lb

#C= 5,994398357 Capas

peso=

4,586736 Onz

Ab= 5,113068789 mm Resistencia 20ºc= 1,5 Ohm

Tabla 3.5 Dimensiones de la bobina para la construcción del electroimán.


74

Para la construcción del electroimán se siguen los pasos recomendados por los textos

o manuales de electromecánica, eso si, hay que tener en consideración que se debe

sellar todos los espacios por donde pueda filtrarse el fluido hacia el interior del

electroimán o a través del agujero que sirve para introducir los conductores de

alimentación, una solución es utilizar macilla epoxica.

En la figura 13.14 a y 13.14 b se muestra el electroimán terminado.

Figura 3.14a Electroimán del amortiguador MR

Figura 3.14 b Electroimán del amortiguador MR


75

A continuación se presenta una forma más sencilla de obtener el número de espiras

necesarias para producir el campo magnético requerido para originar el esfuerzo

cortante óptimo para el amortiguador. Se utiliza las curvas proporcionadas por Lord

Corporation Engineering Note (1999b).

Para comenzar con el diseño, utilizaremos las gráficas 3.15a, 3.15b y 3.15c. Una vez

diseñado y construido el prototipo, obtendremos las graficas similares a estas curvas.

El procedimiento a seguir para el diseño del circuito magnético es usualmente el

siguiente:

1.- Determinar la inducción magnética Bf en el fluido MR para obtener el

esfuerzo cortante τ0 deseado. Utilizar figura 3.15a.

2.- Determinar la intensidad de campo Hf en el fluido MR. Utilizar la figura

3.15b.

3.- El flujo magnético total inducido esta dado por:

ff AB=Φ

donde Af es el área polar efectiva, incluido los bordes.

A causa de la continuidad del flujo magnético inducido, la inducción

magnética en el hierro o acero Bs viene dado por:

s

ff

ss A

AB

AB =Φ=


76

4.- Determinar la intensidad del campo magnético en el acero Hs. Utilizar la

figura 3.15c.

5.- Utilizando la ley de Kirchoff para circuitos magnéticos se determina el

número de amperios vuelta NI.

∑ +== LHgHLHNI sfii

hg 2=

cs LLL +=

Figura 3.15a Lord Corporation Engineering Note (1999b).


77

Figura 3.15b Lord Corporation Engineering Note (1999b).

Figura 3.15c Lord Corporation Engineering Note (1999b)


78

62Hay que considerar ciertos efectos durante el proceso de construcción, como por

ejemplo las propiedades no lineales del fluido MR y el núcleo de acero, posibles

pérdidas en las uniones y bordes, voltajes, corrientes e inductancias; corrientes

parásitas.

3.3 DISEÑO DEL CIRCUITO ELÉCTRICO DE ALIMENTACIÓN

PARA EL ELECTROIMÁN.

63Los amortiguadores MR utilizan corriente que atraviesa la bobina y este a su vez

genera un campo magnético y así el esfuerzo cortante en el fluido MR. Esta

corriente puede proporcionar una fuente de voltaje o una corriente de descarga. Si el

amortiguador MR o la fuente de poder sufren una desconexión repentina, esto causa

un circuito abierto, la corriente que circula a través de la bobina se parara

abruptamente.

De acuerdo con la ley de inducción de Faraday, un voltaje desarrollado a través de la

bobina se obtiene por

( )dt

diLtV −=

Como indica la ecuación anterior el voltaje es proporcional a la razón de cambio de

del flujo de la corriente. Cuando se produce una desconexión, la razón de cambio es

muy alta; esto puede causar un sobre voltaje a través de la bobina, especialmente en

una bobina de amortiguador MR la cual tiene una gran inductancia. Este sobre

voltaje romperá el aislamiento de la bobina a causa del cortocircuito. Como resultado

de lo anterior la bobina no podrá generar el suficiente campo magnético a través del

entrehierro por donde circula el fluido MR, reduciendo la fuerza del amortiguador

significativamente.

62 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 70. 63 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 71, 72.


79

64Para proteger el bobinado de los sobrevoltajes, se conecta un supresor de voltajes

transitorios en paralelo al bobinado del amortiguador para limitar los niveles de

voltajes. Comúnmente los supresores de voltajes transitorios tienen una gran

resistencia cuando el voltaje esta por debajo de un valor de voltaje establecido como

el normal de trabajo. Sin embargo cuando dicho valor de voltaje de trabajo es

excedido, el supresor de voltajes transitorios comienza a conducir debido a la ruptura

de avalancha de la unión PN, manteniendo así un nivel aceptable de voltaje en la

bobina. El supresor de voltajes transitorios restablece su estado inicial de

funcionamiento cuando el voltaje retorna a un nivel óptimo de funcionamiento.

En la figura 3.16a se muestra un esquema del circuito eléctrico para suprimir los

voltajes transitorios que se pueden producir el la bobina del a amortiguador MR. En

condiciones normales de funcionamiento la corriente fluye a través del supresor de

voltajes transitorios es muy pequeña, actuando como un interruptor abierto figura

3.16b. Cuando existe una desconexión de un cable, el valor de voltaje que atraviesa

la bobina sobrepasará los niveles preestablecidos de normal funcionamiento,

actuando en ese momento el supresor de voltajes figura 3.15c. Por lo tanto, el voltaje

a través del bobinado es suprimido hasta un nivel seguro de funcionamiento, además

la energía almacenada en el bobinado es disipada por la resistencia del mismo

bobinado del amortiguador.

Figura 3.16a Circuito eléctrico supresor de voltajes transitorios.

64 G.YANG. “Large-Scale Magnetorheological Fluid Damper for Vibration Mitigation: Modelling, Testing and Control”. PhD dissertation. University of Notre Dame, 2001. Pág 72, 73.


80

Figura 3.16b Operación normal de funcionamiento.

DC v

Bobinado del

amortiguador MR

RL

L

i

X

XDesconexión

Figura 3.16c Operación cuando se produce un exceso de voltaje.

La fuente de alimentación que se utiliza es una regulable con una capacidad de carga

de 2 Amp y con los siguientes voltajes 0 - 3 - 4.5 - 6 - 7.5 – 9 y 12 V.


81

3.4 LLENADO DEL FLUIDO MAGNETOREOLÓGICO DENTRO

DEL AMORTIGUADOR.

Considerando la teoría de los capítulos I y II se procede a medir la cantidad

apropiada de aceite hidráulico y el polvo de hierro. Para el interés de esta tesis se

realizará tres llenados que contengan un 20%, 30% y 40% de partículas de hierro del

volumen total útil de la cámara del amortiguador.

Antes de llenar el amortiguador con el fluido MR, se coloca alrededor de la rosca del

cilindro cinta de teflón (figura 3.17); de las que se utiliza para las tuberías de agua

para evitar que existan filtraciones del fluido magnetoreológico cuando comience a

trabajar el amortiguador.

Figura 3.17 Colocación de la cinta de teflón alrededor del cilindro.

Una vez obtenido el fluido MR, que ya fue explicado en el capítulo II; colocamos

primero el electroimán en el interior del cilindro del amortiguador; luego de haber

agitado por un par de minutos el fluido MR, vaciamos el mismo dentro del cilindro

del amortiguador como se muestra en la figura 3.18 a.

El próximo paso es acoplar el cilindro con la tapa para sellar el amortiguador; como

queda aún un espacio pequeño de aire en la parte superior del amortiguador, se


82

termina de llenarlo a través del orificio lateral de la tapa como se muestra en la figura

3.18 b.

Figura 3.18 a Llenado parcial del amortiguador con fluido MR.

Figura 3.18 b Llenado total del amortiguador con fluido MR.

Ahora el amortiguador esta listo para realizar las pruebas y obtener así los datos o

valores requeridos en el capítulo siguiente.


83

CAPITULO IV


84

4 PRUEBAS Y MEDICIONES.

En este capítulo se realiza las mediciones de algunos datos que sirven para el cálculo

de los diferentes factores, que permiten determinar y comprender el comportamiento

del amortiguador magnetoreológico.

Los datos que se miden en este capítulo son:

� Corrientes.

� Voltajes.

� Tiempo de desplazamiento.

� Pesos de carga,

� Distancia recorrida.

� Densidad de los diferentes fluidos utilizados.

� Área de fricción.

Con estos datos se puede calcular las diferentes variables que muestran el

comportamiento del amortiguador y del fluido magnetoreológico para los diferentes

porcentajes de mezcla entre aceite y limallas. Se obtiene también las curvas de

relaciones existentes entre las diferentes variables.

El procedimiento para obtener los datos es el mismo para los diferentes porcentajes

de mezclas:

1. Una vez llenado el amortiguador con el fluido MR en sus diferentes

porcentajes de mezclas, se arma y sella cuidadosamente, observando que no

exista ninguna filtración de fluido.

2. Se fija un extremo del amortiguador en este caso el émbolo a una soporte

estático y el otro extremo un peso de carga suficiente para poder desplazar

hacia abajo el amortiguador como se muestra en la figura 4.1


85

Figura 4.1 Sistema para medir las variables mecánicas y eléctricas.

3. Armado el sistema procedemos a medir los términos que no van a variar para

las diferentes pruebas, estas son, la distancia que se desplaza y el peso de

carga.

4. Se conecta el electroimán del amortiguador a la fuente regulable de

alimentación y medimos el tiempo de desplazamiento del amortiguador y la

corriente que consume para los diferentes voltajes, es recomendable realizar

tres mediciones para luego sacar un promedio.

El procedimiento es el mismo para las diferentes mezclas de los fluidos. En las

siguientes tablas se tabulan los resultados obtenidos, además se grafican las

diferentes relaciones entre la variables de interés.

P

P


86

Un valor muy importante es la viscosidad de cada una de las mezclas, para esto

realizamos un procedimiento sencillo que consiste en tomar un recipiente con escala

que generalmente viene en mililitros, se llena de fluido hasta 300 ml, y se pesa el

mismo. Se aplica luego la ecuación:

V

Pp =

Se obtiene así el peso específico a través del peso y el volumen.

Para obtener la densidad simplemente dividimos el peso específico para la gravedad.

En las siguientes tablas se tabulan los valores obtenidos para las diferentes mezclas.

ACEITE HIDRAULICO PARA TRANSMISION Valvoline ATF Peso [Kg] Densidad [Kg/m3]

0,2556 852,00 FLUIDO MAGNETOREOLOGICO 20% DE LIMALLAS Peso [Kg] Densidad [Kg/m3]



0,4545 1515,00 Tabla 4.1 Densidad de los fluidos magnetoreológicos.


87

4.1 PRUEBAS Y MEDICIONES EN EL AMORTIGUADOR CON 20% DE LIMALLAS.

PRUEBAS EN EL AMORTIGUADOR 1

Peso Amortiguador [Kg]: 1,587 Area lateral [m2]: 0,008796 % Limallas: 20 Densidad [kg/m3]: 852,00

Voltaje [V] Corriente [A] Peso Carga [Kg] Tiempo desplazamiento [seg] t [seg] Dist. [m] velocidad [m/s] τ�[Pa] µ [Pa-s] ν ��[m2/s] t1 t2 t3

0 0,00 8,164 0,27 0,3 0,28 0,283 0,14 0,494117647 928,15 5,64 0,0066 3 0,46 8,164 0,33 0,3 0,31 0,313 0,14 0,446808511 928,15 6,23 0,0073

4,5 0,69 8,164 0,41 0,39 0,39 0,397 0,14 0,352941176 928,15 7,89 0,009 6 0,92 8,164 0,5 0,45 0,48 0,477 0,14 0,293706294 928,15 9,48 0,011

7,5 1,15 8,164 0,54 0,55 0,58 0,557 0,14 0,251497006 928,15 11,07 0,013 9 1,38 8,164 0,63 0,6 0,64 0,623 0,14 0,22459893 928,15 12,40 0,015

12 1,85 8,164 0,75 0,7 0,73 0,727 0,14 0,19266055 928,15 14,45 0,017 Tabla 4.2 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 20% de limallas.


88

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD CINEMATICA

0,0000

0,00200,0040

0,00600,0080

0,01000,0120

0,01400,0160

0,0180

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

cine

mát

ica[

m2/

s]

Serie1

CURVA VOLTAJE-VISCOSIDAD DINAMICA

0,001,002,003,004,005,006,007,008,009,00

10,0011,0012,0013,0014,0015,0016,00

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1

Figura 4.2 Curva Voltaje-Viscosidad dinámica 20%.

Figura 4.3 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 20%.


89

CURVA VOLTAJE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vel

ocid

ad [m

/s]

Serie1

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD DINAMICA

0,00

2,00

4,00

6,00

8,00

10,00

12,00

14,00

16,00

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

Corriente[A]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1

Figura 4.4 Curva Voltaje-Velocidad de desplazamiento 20%.

Figura 4.5 Curva Corriente-Viscosidad dinámica 20%.


90

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD CINEMATICA

0,00000,00200,0040

0,00600,00800,01000,0120

0,01400,01600,0180

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

Corriente [A]

Vis

casi

dad

cine

mát

ica

[m2/

s]

Serie1

CURVA CORRIENTE-VELOCIDAD DE DESPLAZAMIENTO

0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0,6

0,00 0,25 0,50 0,75 1,00 1,25 1,50 1,75 2,00

Corriente [A]

Vel

ocid

ad [m

/s]

Serie1

Figura 4.6 Curva Corriente-Viscosidad cinemática 20%.

Figura 4.7 Curva Corriente-Velocidad de desplazamiento 20%.


91

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDAD-ESFUERZO CORTANTE. 20%

0100200300400500600700800900

1000110012001300140015001600170018001900200021002200230024002500260027002800290030003100320033003400

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Razón de cambio de velocidad [m/s]

Esf

uerz

o co

rtant

e [P

a]

3 voltios4,5 voltios6 voltios7,5 voltios9 voltios12 voltios


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

0 0,05 0,1

Razón de cambio de velocidad [m/s]

Esf

uerz

o co

rtant

e [P

a]

3 voltios4,5 voltios6 voltios7,5 voltios9 voltios12 voltios

Figura 4.8 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante 20%.

Figura 4.9 Razón de cambio de velocidad-Esfuerzo cortante (ampliada) 20%.


92

Como se puede observar en las curva 4.7 y 4.8, las mismas muestran que el fluido

magnetoreológico se comporta como un fluido Plástico de Bingham vista en el

capítulo 1 (figura 1.27). En las curvas se mira que en primer lugar se tiene que

vencer un esfuerzo umbral producido por la aplicación del campo magnético. Una

vez vencido este esfuerzo umbral, el fluido MR se comporta como un fluido

newtoniano, con una viscosidad diferente para cada valor de voltaje o corriente.


93




Tiempo desplazamiento [seg]

Voltaje [V] Corriente [A] Peso Carga [Kg] t1 t2 t3 t [seg] Dist. [m] velocidad [m/s] τ [ �Pa] µ [Pa-s] ν ��[m2/s]

0 0 8,164 0,33 0,33 0,36 0,340 0,14 0,411764706 928,15 6,76 0,007 3 0,46153846 8,164 0,43 0,39 0,41 0,410 0,14 0,341463415 928,15 8,15 0,009

4,5 0,69230769 8,164 0,47 0,48 0,48 0,477 0,14 0,293706294 928,15 9,48 0,010 6 0,92307692 8,164 0,56 0,55 0,54 0,550 0,14 0,254545455 928,15 10,94 0,012

7,5 1,15384615 8,164 0,61 0,6 0,59 0,600 0,14 0,233333333 928,15 11,93 0,013 9 1,38461538 8,164 0,67 0,65 0,64 0,653 0,14 0,214285714 928,15 12,99 0,014

12 1,84615385 8,164 0,78 0,76 0,77 0,770 0,14 0,181818182 928,15 15,31 0,016 Tabla 4.3 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 30% de limallas.


94


0,002,004,006,008,00

10,0012,0014,0016,0018,00

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1


0,0000,0020,0040,0060,0080,0100,0120,0140,0160,018

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

cine

mát

ica

[m2/

s]

Serie1


Figura 4.11. Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 30%.


95


00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,40,45

0 2 4 6 8 10 12 14

Voltaje [V]

Vel

ocid

ad [m

2/s]

Serie1


0,002,004,006,008,00

10,0012,0014,0016,0018,00

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Corriente [A]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1




96

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDAD CINEMATICA

0,0000,0020,0040,0060,0080,0100,0120,0140,0160,018

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Corriente [A]

Vis

cosi

dad

cine

mát

ica

[m2/

s]

Serie1


0

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Corriente [A]

Vel

ocid

ad [m

/s]

Serie1




97


-5050

150250

350450550

650750850

9501050

115012501350

14501550

165017501850

19502050

215022502350245025502650

27502850

29503050

0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6

Razón de velocidad de cambio [m/s]

Esf

uerz

o co

rtant

e [P

a] 3 voltios

4,5 voltios

6 voltios

7,5 voltios

9 voltios

12 voltios


0

50

100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

0 0,05 0,1


Esf

uerz

o co

rtant

e [P

a] 3 voltios

4,5 voltios

6 voltios

7,5 voltios

9 voltios

12 voltios

Figura 4.16 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 30%.

Figura 4.17 Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante (ampliada) 30%.


98




Tiempo desplazamiento [seg]

Voltaje [V] Corriente [A] Peso Carga [Kg] t1 t2 t3 t [seg] Dist. [m] velocidad [m/s] t [Pas] µ [Pa-s] ν ��[m2/s]

0 0 8,164 0,35 0,37 0,4 0,373 0,14 0,375 928,15 7,43 0,005 3 0,46153846 8,164 0,41 0,41 0,43 0,417 0,14 0,336 928,15 8,29 0,005

4,5 0,69230769 8,164 0,55 0,52 0,53 0,533 0,14 0,2625 928,15 10,61 0,007 6 0,92307692 8,164 0,75 0,78 0,77 0,767 0,14 0,182608696 928,15 15,25 0,010

7,5 1,15384615 8,164 1,03 1,08 1,06 1,057 0,14 0,132492114 928,15 21,02 0,014 9 1,38461538 8,164 1,33 1,35 1,35 1,343 0,14 0,104218362 928,15 26,72 0,018 12 1,84615385 8,164 1,4 1,42 1,44 1,420 0,14 0,098591549 928,15 28,24 0,019

Tabla 4.4 Mediciones y cálculos de datos del amortiguador con 40% de limallas.


99


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1


0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vis

cosi

dad

cine

mát

ica

[m2/

s]

Serie1


Figura 4.19 Curva Voltaje-Viscosidad cinemática 40%.


100


0

0,050,1

0,15

0,2

0,250,3

0,35

0,4

0 1,5 3 4,5 6 7,5 9 10,5 12 13,5

Voltaje [V]

Vel

ocid

ad [m

/s]

Serie1


0,00

5,00

10,00

15,00

20,00

25,00

30,00

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Corriente [A]

Vis

cosi

dad

diná

mic

a [P

a-s]

Serie1




101

CURVA CORRIENTE-VISCOSIDA CINEMATICA

0,000

0,005

0,010

0,015

0,020

0 0,5 1 1,5 2

Corriente [A]

Vis

cosi

dad

cine

mát

ica

[m2/

s]

Serie1


00,05

0,10,15

0,20,25

0,30,35

0,4

0 0,25 0,5 0,75 1 1,25 1,5 1,75 2

Corriente [A]

Vel

ocid

ad [m

/s]

Serie1




102

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDAD-ESFUERZO CORTANTE, 40%

0200400600800

1000120014001600180020002200240026002800300032003400360038004000420044004600480050005200540056005800600062006400

0 0,05

0,1 0,15

0,2 0,25

0,3 0,35

0,4 0,45

0,5 0,55

0,6


Esf

urez

o co

rtant

e [P

a] 3 voltios

4,5 voltios

6 voltios

7,5 voltios

9 voltios

12 voltios

CURVAS RAZON DE CAMBIO DE VELOCIDAD-ESFUERZO CORTANTE, 40%

0

50100

150

200

250300

350

400

450500

550

600

650700

750

800

850900

950

1000

0 0,05 0,1


Esf

urez

o co

rtant

e [P

a] 3 voltios

4,5 voltios

6 voltios

7,5 voltios

9 voltios

12 voltios

Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40%.

Figura 4.24 Curvas Razón de velocidad de cambio-Esfuerzo cortante 40% (ampliada).


103

4.4 DETERMINACION DE LA PERMEABILIDAD MAGNETICA DEL FLUIDO MR.

En el capítulo anterior se realizó el cálculo para la construcción del electroimán para

el amortiguador MR, imponiéndose valores de la inducción magnética,

permeabilidad magnética y por consiguiente la intensidad de campo magnética,

obteniéndose un valor de 351 espiras.

Ahora se procede a corregir los valores de Bg, µg y Hg, realizando la siguiente prueba

que dará una mejor aproximación a los valores reales de estas magnitudes

magnéticas del fluido MR. La prueba consiste en determinar en primer lugar la

fuerza de atracción del electroimán dentro de cada uno de los tres tipos de fluidos

MR.

El procedimiento es el siguiente:

1.- Llenar el cilindro exterior de amortiguador con el fluido MR.

2.- Introducir en el interior del cilindro del amortiguador el electroimán.

3.- Tomar un dinamómetro e introducir el extremo con la argolla metálica en el

medio del entrehierro que se forma entre la culata del electroimán y el cilindro

exterior del amortiguador.

Figura 4.25 Medición de la fuerza de atracción del electroimán.


104

4.- Una vez introducido el dinamómetro, energizar el electroimán y halar lentamente

el otro extremo del dinamómetro hasta que se logre sacar el extremo introducido

en el entrehierro del mismo, tomando así la fuerza de atracción del electroimán.

Figura 4.26 Medición de la fuerza de atracción del electroimán para diferentes valores de

corriente.

Este proceso se lo realiza para cada fluido MR, es decir, para fluido MR con 20, 30 y

40% del volumen de partículas de hierro.

Aplicando la fórmula de la fuerza de atracción de un electroimán, se puede obtener el

valor aproximado de la inducción magnética que atraviesa el fluido MR.

[ ]NBIrF 12π=

Donde:

F= Fuerza de atracción del electroimán en Newtons.

r= Es el radio medido desde el centro del electroimán hasta el cilindro exterior del

amortiguador en m.

I1= Corriente que circula por la bobina del electroimán en Amperios.

B= Inducción magnética que atraviesa el fluido MR en Teslas.


105

De la ecuación anterior se despeja B, y aplicando la ecuación:

( )[ ]mAWbH

B

g

gg −= /µ

El valor de Hg se puede obtener despejándola de la ecuación:

[ ]vueltaAmpl

HlHlHlHl

HNI agggg

a −

++++

=22 223311

[ ]vueltaAmplHlHl

HNI gga −++

= 3311 22

2

En la siguiente tabla se detallan los valores obtenidos en la prueba.

N = 336 espiras I = 1,85 Amperios

La/2 = 0,01875 m

Lg = 0,00375 m L3 = 0,059 m H1 = 4000 A/m B1 = 0,7 Teslas u1 = 0,000175 Wb/A-m H3 = 375 A/m B3 = 0,7 Teslas u3 = 0,001866667 Wb/A-m 20% Hg = 59930 A/m Bg= 0,001752568 Teslas ug = 2,92436E-08 Wb/A-m 30% Hg = 59930 A/m Bg= 0,005747623 Teslas ug = 9,59056E-08 Wb/A-m 40% Hg = 59930 A/m Bg= 0,048004787 Teslas ug = 8,01014E-07 Wb/A-m

Tabla 4.5 Magnitudes de Bg, µg y Hg.


106

CONCLUSIONES Y RECOMENDACIONES.

Conclusiones.

Después de haber finalizado la presente tesis se llega a la conclusión de que es

posible el desarrollo de tecnologías en nuestro país tomando como punto de partida

los estudios y avances ya existentes.

� Es posible la manipulación de los nuevos materiales llamados inteligentes y

realizar un sinnúmero de aplicaciones industriales o comerciales.

� Los campos magnéticos se pueden utilizar para cambiar la reología de los

materiales, en el caso de los fluidos magnetoreológicos, al aplicar un acampo

magnético podemos variar la viscosidad del mismo.

� Un fluido magnetoreológico se comporta como un plástico de Bingham,

donde se necesita vencer en primer lugar el esfuerzo umbral producido por la

alineación de las partículas de hierro con el campo magnético generado por el

electroimán. Superado este umbral comienza a comportarse como una fluido

newtoniano con una viscosidad dinámica mayor a la que se tiene sin la

presencia del campo magnético.

� Un amortiguador magnetoreológico tiene mejores prestaciones de servicio de

los amortiguadores convencionales, ya que se puede regular la viscosidad y

por ende el coeficiente de amortiguamiento de acuerdo a las necesidades, es

decir, la amortiguación será variable.

� La magnitud de esfuerzo que soporta el amortiguador está determinado tanto

por la magnitud de campo magnético aplicado como por el porcentaje en

volumen de partículas de hierro en la mezcla con el aceite. Mientras mayor

sea el porcentaje de partículas de hierro mayor esfuerzo soportará el

amortiguador.

� Al observar el fluido magnetoreológico se concluye que las partículas de

hierro más pequeñas se suspenden mejor y más tiempo en el aceite que las

contiene, mientras que las más grandes se precipitan hacia la parte inferior del

cilindro del amortiguador. Esto nos lleva a la conclusión de que mientras más

pequeñas y homogéneas sean las partículas de hierro suspendidas se evita la


107

sedimentación de las mismas y por consiguiente se puede manejar o

manipular de mejor manera las características reológicas del fluido MR.

� En lo referente a la parte eléctrica, se observó que el consumo es razonable ya

que necesita de una potencia máxima de 24 W para cada amortiguador, es

decir es muy viable la adaptación en lo referente al consumo de energía

eléctrica.

� El peso del amortiguador MR obviamente va a ser mayor que los

amortiguador convencionales por motivos tales como las partículas de hierro

al aceite, el peso de la bobinas del electroimán, esto dependerá del número de

espiras y el porcentaje de limallas de hierro que tengan el electroimán y el

fluido MR respectivamente.

� Al realizar un agujero a través de émbolo del pistón del amortiguador se

afecta negativamente la resistencia mecánica del mismo ante la aplicación de

fuerzas de tracción y compresión que se producen en el funcionamiento del

amortiguador, es decir, el área transversal del émbolo debe ser mayor para

que pueda soportar los mismos esfuerzos para los que fue diseñado con un

émbolo sin agujero.

Recomendaciones.

En el desarrollo de este proyecto se encontró múltiples circunstancias que sirven para

realizar ciertas recomendaciones que se detallan a continuación:

� El primer paso en la obtención del fluido magnetoreológico es conseguir

las partículas mas pequeñas posibles de hierro, de esto depende el buen

funcionamiento del fluido MR, supongo que se lo puede hacer mediante

un proceso químico.

� Determinar cual es el mínimo y máximo esfuerzo al que estará expuesto

el amortiguador, para determinar que porcentaje de volumen de partículas

de hierro será el óptimo para satisfacer las necesidades del sistema.

� El tipo de amortiguador que se recomienda utilizar para el diseño

mecánico es el monotubo debido a que un amortiguador bitubo se pueden

presentar problemas de presión interna al producirse una sedimentación


108

CONTROLADOR

Carrera del pistón del amortiguador

Aceleración del vehículo

Frecuencia de vibración en el habitáculo

i

Electroimán del amortiguador

de las partículas en la parte inferior del cilindro interior del amortiguador,

esto a su vez puede tapar la circulación del fluido hacia la cámara de

reserva.

� Debido a que la permeabilidad del fluido MR es muy pequeña es

recomendable que la intensidad de campo magnético que genere el

electroimán sea lo más elevada posible para obtener el máximo valor de

esfuerzo cortante y por consiguiente mayor dureza del amortiguador. Hay

considerando las limitaciones inherentes en el consumo de energía

eléctrica del electroimán, esta es una de las razones por la que es

indispensable obtener un fluido MR con partículas de hierro suspendidas

que ofrezcan la mayor permeabilidad magnética posible.

� Sería muy importante que se siga desarrollando este proyecto para la

aplicación del amortiguador magnetoreológico sobre todo en el área

automotriz, donde se debe tomar en consideración el efecto que produce

el peso del amortiguador en el sistema de suspensión y las variables que

debe medir para controlar la amortiguación. A continuación explico en

un diagrama de bloques las posibles variables a medir y controlar como es

la corriente que recibirá el electroimán del amortiguador que a su vez

generará el campo magnético necesario para variar la viscosidad del

fluido MR y por ende la dureza del mismo.


109

� Se puede utilizar un microprocesador para realizar el control de la

amortiguación en el vehículo.

� Se aconseja construir íntegramente todo el amortiguador ya que es más

conveniente que adaptar uno por la razones de diseño mecánico y que ya se

explico en algunos puntos anteriores.


110

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111

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