Universidad Técnica de Praga, República Checa. 3.4.- D IS E Ñ O M E C Á N IC O .
El diseño de la máquina está basado en las siguientes normas:
A S T M D 2266 Wear preventive characteristics o f lubricating greases. A S T M D 4172 Wear preventive characteristics o f lubricating fluid. A S T M D 2596 Extreme pressure properties o f lubricating greases. A S T M D 2783 Extreme pressure properties o f lubricating fluid.
IP 239 Extreme pressure properties: friction and wear test for lubricants.
D IN 51350/1-5 Testing lubricants: testing in the shell four-ball tester. IS O /C D 11008 Petroleum products and lubricants - determination o f extreme pressure properties o f lubricating greases - four ball method.
A S T M G 99 Wear testing with a pin-on-disc apparatus.
D IN 50324 Measuring friction and wear: model experiments on sliding friction in solids (ball on disc system).
IS O /D IS 7148-2 Testing o f the tribological behavior o f bearing materials and with TE 92/6/4
A S T M D 3702 Standard test method for wear rate o f materials in self lubricated rubbing contact using a thrust washer testing machine.
Es por ello la forma de su diseño y la característica principal de la máquina de hacer friccionar dos probetas en su cara frontal.
3.4.1.- D E F IN IC IÓ N D E P O R C E S O D E D IS E Ñ O .
Existen diferentes formas o procesos de diseño, hay m odelos con muchos pasos, otros con menos que involucran en un paso diferentes actividades, de acuerdo con Robert Norton [6] el proceso de diseño involucra diez etapas, que son las siguientes:
1.- Identificación de la necesidad. 2.- Investigación preliminar. 3.- Planteamiento del objetivo. 4.- Especificaciones de desempeño. 5.- Generación de ideas e invención. 6.- Análisis.
7.- Selección.
8.- D iseño de detalle.
9.- Creación de prototipos y pruebas. 10.- Producción.
Este no es un proceso lineal, más bien es un proceso iterativo, en el cual se puede presentar que ya estando casi en el último paso, sea necesario regresar al inicio y replantear todo.
En este apartado se desarrollan a grandes rasgos, los primeros siete pasos, dejando para apartados posteriores los pasos número ocho y nueve. El paso número diez llamado producción, no se tratará en este trabajo, pues no se ha planteado la producción de tribómetros a pequeña o gran escala. Solamente se llega al punto de crear un prototipo, para realizarle pruebas y ver que mejoras se pueden realizar, o de ser necesario de sugerir otros sistem as y configuraciones, que puedan mejorar el desem peño del equipo.
Para realizar la etapa de producción, es necesario tener un prototipo final probado, de buena calidad, que cumpla con las especificaciones y que sea factible de llevar a cabo. Una vez que se tiene este prototipo se deben analizar los sistem as de manufactura, para saber qué equipo se requiere en la construcción del producto.
Además de elaborar los dibujos de taller, y las rutas de trabajo necesarias. Sin olvidar la labor administrativa, com o es la búsqueda de proveedores. Éste último paso en si es todo un proceso, que requiere nuevamente del análisis y selección de diferentes opciones, así m ism o se requiere iterar, teniendo una mejora continua.
3.4.2.- P R O C E S O D E L D IS E Ñ O .
3.4 .2 .1.- ID E N T IF IC A C IÓ N D E L A N E C E S ID A D .
La investigación continua de materiales que tengan mejores propiedades tribológicas, hace que surja la necesidad de un equipo que se adecue a las necesidades y especificaciones del investigador.
3.4.2.2.- IN V E S T IG A C IÓ N P R E L IM IN A R .
Es conveniente realizar una búsqueda de información de todo lo relacionado con el tema. Los resultados de esta búsqueda se reportan en los primeros dos capítulos del presente trabajo.
3.4.2.3.-P L A N T E A M IE N T O D E O B JE T IV O S .
Ahora que se sabe más del tema, se puede plantear el problema de una forma más clara. Como se com entó en el capítulo anterior, existen tribómetros com erciales que básicamente sirven para obtener el coeficiente de fricción y el
de desgaste, por m edio de diversas configuraciones. También ahora se sabe que es factible construir un tribómetro para un caso de estudio en específico. Por otro lado se tiene a los prototipos experimentales, que sirven para realizar pruebas bajo condiciones, antes no consideradas, tales com o atmósfera controlada y variación de temperatura.
Como se pudo ver, existen desde dispositivos sim ples, hasta aquellos que son muy com plejos y permiten controlar un gran número de variables. Para iniciar el diseño del dispositivo es necesario plantear que es lo que debe de hacer, lo cual da una idea de a qué punto se tiene que llegar.
El objetivo del presente trabajo es diseñar un tribómetro prototipo, que únicamente sea capaz de obtener el coeficiente de fricción y que a través de equipos auxiliares se pueda medir el desgaste entre un par tribológico.
3.4.2.4.- E SP E C IF IC A C IO N E S DE D E S E M P E Ñ O .
Es necesario plantear cuales son la funciones que debe cumplir el dispositivo, es decir que debe de hacer. En este paso no se especificará com o debe de ser el dispositivo, solam ente se definirá lo que se espera de él.
a) La configuración del dispositivo debe ser de acuerdo al esquema que se muestra en la figura 3.2. Básicam ente lo que se puede observar es que se tienen dos probetas, una de ellas es fija dentro de una copa que contendrá o no algún tipo de lubricante, esta será la probeta inferior, la probeta superior es la que induce un par de torsión la cual al entrar en contacto con la probeta inferior, de este m odo se tendrá un coeficiente de fricción (^A), así la fuerza tangencial (F) se aplicará en la cara de los cilindros la cual hace que la copa tenga un par de torsión el cual se censará por medio de una celda de carga, más adelante se realizará el análisis matemático que permite demostrar que midiendo la fuerza (N ) y el par generado por la fuerza (F) es posible calcular la com ponente adhesiva del coeficiente de fricción, tomando en cuenta las propiedades mecánicas del par tribológica en estudio, y dim ensiones de las probetas para su óptimo desem peño en las pruebas que se realizarán.
b) El dispositivo debe de obtener datos estadísticos de diferentes muestras bajo diferentes condiciones.
c) El dispositivo debe de contar con un sistem a que permita aplicar una carga variable en un rango de 0 a 400 0 [Newtons].
d ) El dispositivo debe de contar con un sistem a para que el eje transmisor gire axialmente, a una velocidad variable.
e) Es necesario un sistem a de m edición que permita conocer la magnitud de la fuerza N.
f) Es necesario un sistem a de m edición que permita conocer la magnitud del par generado por la fuerza F.
g) Se requiere que el dispositivo cuente con un sistem a para
visualizar gráficamente las m ediciones realizadas por los sistem as
mencionados en los dos incisos anteriores. Además que sea capaz de calcular el coeficiente de fricción y que obtenga la gráfica que se muestra en la siguiente figura.
E q u iv a le n t S tre s s T y p e : E q u iv a le n t S tre ss U n it: M P a 25/00/2009 06:54 p.m . 1 i
F igu ra 3.2.- en esta figu ra tenem os la a p licación de carga N sob re las probetas fija (2) y la p rob eta q ue v a a esta r en m o v im ien to (1), p rovocan d o con esto la gen eración de la fu erza de fricción F.
En la gráfica mostrada se puede observar la variación del coeficiente de fricción a través del tiempo.
h ) D ebe ser un dispositivo limpio.
i) Se debe considerar que será un equipo utilizado en laboratorio. j) D e preferencia debe ser un diseño compacto.
k ) Es conveniente que sea de bajo peso.
3.4.2.5 .- G E N E R A C IÓ N DE ID E A S E IN V E S T IG A C IÓ N .
Esta etapa es com plicada ya que requiere de mucha creatividad, para proponer ideas que permitan cumplir cada una de las especificaciones planteadas en la etapa anterior. A continuación se reportan las soluciones encontradas para cada una de las especificaciones de desempeño. En la siguiente etapa se realizará un estudio más detallado de estas ideas, para encontrar las ventajas y desventajas de cada una.
P rop u estas p ara la p rim era esp ecificación .
En la primera especificación se tiene la configuración del equipo, lo que se podría nombrar com o un diseño conceptual, en realidad no se requirió que se diseñará cualquier tipo de tribómetro desde un inicio se especificó que se tenía que cumplir con ésta configuración.
P rop u estas p ara la segu n d a esp ecificación .
El dispositivo debe obtener datos estadísticos de diferentes muestras bajo diferentes condiciones, para ello se consideran dos planteamientos:
• Lo que se evalúa en tribología es un par tribológico, lo que im plica que tanto la probeta inferior com o la superior, se puedan cambiar fácilmente, y así poder estudiarlas de manera detallada. Para esto se planteará de manera detallada com o debe ser la instalación y desinstalación de dichas probetas.
• Para caracterizar una propiedad de un material, com o es en el caso del coeficiente de fricción, es necesario obtener numerosas m ediciones, para que posteriormente se obtengan datos que estadísticamente sean confiables. Esto origina que se tengan diversas configuraciones, que se plantean a continuación.
Y a que las probetas que se probarán tienen que sustituirse, no se puede poner un sistem a en el que alguna de las probetas sea fija, pues nos interesa saber el comportamiento del material examinado. Debem os también tomar en cuenta que las probetas deben ser de fácil manufactura pues no es ni factible ni sencillo trabajar con piezas de construcción algo complicadas que solo serán ocupadas una sola vez.
Aún falta por definir la geometría de las probetas, éstas las proponemos de forma cilíndrica pues si fuera de otra manera, suponiendo que al estar en m ovim iento rotatorio, si nuestra probeta tuviera puntas por alguna forma geométrica regular que se pudiera proponer tendríamos problemas con la seguridad personal del operario.
Por un lado tenem os la necesidad de ver la posición adecuada para que las probetas tengan un contacto adecuado en sus caras para la correcta aplicación de las cargas y la obtención optima del coeficiente de fricción.
D e aquí podemos pensar en que la mejor posición será vertical, donde de alguna manera podremos obtener un recipiente en el que se pueda contener tanto la probeta com o el lubricante, podem os pensar en la siguiente opción:
F ig u ra 3.3.- C opa
d ond e se colo cará la p rob eta flja (2) y d ond e se p odrá trab aja r con pruebas con o sin lu b rica n te (1).
2
En este diseño
proponemos que la probeta sea
fija pues es más sencillo
trabajar con la pieza donde se colocará algún lubricante sin que este se derrame, y con ello no cumpliríamos con uno de
los requerimientos antes
mencionados que es la
limpieza. P rop u estas p ara la tercera esp ecificación .
En la tercera especificación de desem peño se requiere un sistem a para aplicar la fuerza N com o se muestra en la F igu ra 3.3.4.1. que debe ser variable en un rango de 0 a 24.5 N ó 0.1 MPa. Se tienen los siguientes casos:
• Proponer ó buscar sistemas de carga, que permitan aplicar una fuerza a cada probeta. Para éste caso se tiene la posibilidad de que las fuerzas sean iguales, o no.
• Buscar la forma de aplicar una sola fuerza, en una de las probetas, y esta sea transmitida a través del eje. D e esta forma se aplica la m ism a fuerza en las dos probetas.
Existen varias formas de aplicar fuerzas, y el requisito de desempeño planteado en la etapa anterior, no restringe ninguna posibilidad que la imaginación pueda dar. A lgunos sistem as son los siguientes:
• Mecánicos: m ecanism os de diversas configuraciones.
• Hidráulicos: actuadores que aprovechen la potencia de algún
fluido.
• Neumáticos: actuadores que aprovechen la potencia de algún gas, comúnmente se usa aire.
Por otro lado no se indica si la carga debe de variar cada N ew ton, ó cada 10 N ew tons o cada cuanto. Tampoco se sabe si la configuración del equipo, permitirá que la carga se aplique de forma vertical, horizontal ó inclinado. N o se ha especificado si se debe aplicar manualmente, ó a través de algún sistem a automático. N i se ha m encionado si se debe incluir algún sistem a de control, que permita tener una carga constante o variable.
Es por tanto que aplicaremos la carga sobre el eje de transmisión, permitiendo con ello el ahorro de espacio que es otro de los requisitos dentro de las especificaciones de desempeño, este diseño será una pesa que nos dé la fuerza requerida, esta será cilíndrica barrenada a medida del eje para que este se acople sin tener rango de holgura para no ocasionar vibraciones y con esto malas lecturas en los datos recopilados durante la prueba, por lo tanto el diseño sería com o se muestra en la figura:
F igu ra 3.4.- en esta figu ra se m u estra lo que
sería la p esa con su
respectivo barreno (1) donde se b usca aco p lar el eje de tran sm isió n de p oten cia.
Nuevam ente se requiere que se aplique la fuera a lo largo del eje y que se aplique a ambas probetas. Para que el
sistem a funcione
correctamente se tendrá que calcular el diámetro correcto del barreno y de la pesa completa tomando en cuenta su densidad para aplicar la carga correcta sobre las probetas, así se podrá definir el par m áximo que se requiere para aplicar la carga máxima.
Este tipo de configuración se puede sofisticar al grado de aplicar cargas variables de manera controlada, por medio de otras adaptaciones al sistem a com o lo son el uso de servomotores. En caso de que se quiera aplicar la carga manualmente se tiene la posibilidad de modificar la pesa de manera que se pueda acoplarle otras pesas más dependiendo de la carga que se quiera aplicar.
Hasta ahora solo se han mostrado bocetos de ideas, en los cuales se propone tener un sistem a de carga que aplique la fuerza en una sola probeta, y que la fuerza se pueda transmitir a lo largo del eje presionando a la otra probeta.
P rop u estas p ara la cu arta esp ecificación .
La cuarta especificación de desem peño dice que el dispositivo debe contar con un sistem a que permita que el eje pueda transmitir la potencia necesaria para una optim ización del diseño, este debe ser a medida con una holgura del grado de 1 0 -4 de pulgada para evitar vibraciones en el sistem a de transmisión y con ello la obtención de lectura erróneas en el sistema.
Resumiendo para cumplir con la cuarta especificación de desempeño, es necesario diseñar cuatro subsistemas, que son los siguientes:
• Soporte de probetas.
• Suministro de energía.
• Sistem a para variar la velocidad angular.
• Transmisión de potencia.
Hay que recordar que aunque se planteen estos cuatro puntos por separado en realidad los cuatro deben de cumplir la especificación, por lo que son dependientes unos de otros y finalmente se deberá seleccionar aquel conjunto de ellos que sea más factible llevar a cabo.
El soporte consiste en una base sobre la cual se colocará la copa que contendrá la probeta y el lubricante en caso de ser una prueba en seco. Este debe de permitir la sem irotación de la copa pues de esta manera se podrá medir la fuerza que se aplica sobre las probetas para que entre ellas exista el par necesario para encontrar el coeficiente de rozamiento. Este de preferencia debe de girar con las mínimas pérdidas por fricción.
Cuando se requiere que un eje gire, comúnmente se tienen dos opciones, por un lado se tienen a los rodamientos y en el otro a los cojinetes. Cada una de las dos opciones tiene sus ventajas y desventajas. Hay que señalar que ambas opciones se tiene un sin fin de posibilidades. En ambos casos los hay de diferentes materiales, dim ensiones y tipos de lubricación. Generalmente los cojinetes se deben de diseñar y maquinar pues no se encuentra una gran variedad comercialmente, y es el diseño el que crea un gran número de posibilidades. En cambio los rodamientos son piezas estándar y fáciles de conseguir, so lo se tienen que seleccionar correctamente.
En el diámetro interior del cojinete o rodamiento, esto depende de la selección de la pieza de acuerdo a las necesidades del trabajo, se insertará el eje que será el que transmita la energía rotatoria a las probetas. Y el diámetro exterior se tiene que fijar a una base o soporte.
D e acuerdo a las ideas que se han planteado anteriormente, el eje va montando en una base que puede ser fija ó m óvil. Es necesario definir que tipo de base se va a ocupar para ver si es necesario diseñar un soporte para montar
los rodamientos o cojinetes, sobre este. U na opción es maquinar una cavidad en donde se van a montar estos elem entos sobre la misma base.
Como se puede ver se tiene una amplia gama de posibilidades para diseñar el soporte sobre el cual la sopa con su respectiva probeta girará. Es necesaria una fuente de energía, que brinde m ovim iento rotatorio. Hasta el momento se desconoce la potencia requerida.
A continuación se enlistan algunas propuestas que podrían cumplir con ese requisito:
• Motores de combustión interna.
• Motores eléctricos.
o Motores de corriente alterna.
■ M onofásicos.
■ Trifásicos.
o Motores de corriente directa.
A ) B)
F ig. 3.5.- A ) M o to r de corrien te con tin u a. B ) M o to r de corrien te alterna.
Todas las opciones mencionadas arriba proporcionan energía mecánica rotacional, y pueden acoplarse de forma sencilla a cualquier máquina. Sin embargo cada uno tiene sus ventajas y desventajas. Los motores de combustión interna son ruidosos y emiten contaminantes por lo que no es
recomendable que estén completamente encerrados y es necesario que el múltiple de escape tenga salida al exterior. Por otro lado son una fuente de energía independiente.
Los motores eléctricos requieren de un suministro de energía eléctrica, que puede ser de corriente alterna o directa. El suministro de energía eléctrica comercial es de corriente alterna, por lo que para ocupar motores de corriente directa se necesita un rectificador que proporcione este tipo de corriente. Para bajas potencias, generalmente hasta cinco HP, es fácil conseguir un motor de corriente alterna monofásica. Para potencias mayores solo se ocupan los trifásicos.
Existe una amplia gama de motores eléctricos comercialmente, tanto de directa com o de alterna. Prácticamente los fabricantes de motores han diseñado un motor para cada aplicación. Además de que existen diferentes principios de funcionam iento que permiten tener aún más posibilidades.
Dentro de las especificaciones de desem peño no se mencionan las velocidades máxima o mínima de operación. El siguiente punto a tratar es diseñar un sistem a que permita variar la velocidad angular del eje transmisor. Como se m encionó anteriormente los cuatro puntos planteados son dependientes.
En el caso de un motor de com bustión interna se puede variar su velocidad dentro de ciertos rangos. Por otro lado para los motores eléctricos, comercialmente existen variadores de velocidad, que modifican ya sea la frecuencia de la corriente alterna, o el voltaje directo.
Sin embargo, aunque los motores pueden suministrar una velocidad variable, no es la única forma de cumplir con este requisito. Se puede ocultar una caja de velocidades por m edio de engranes, o una transmisión de potencia por m edio de bandas ocupando poleas escalonadas, en las cuales dependiendo la com binación de poleas usada es la velocidad obtenida.
Para tratar el cuarto punto, se tienen las siguientes opciones para transmitir potencia:
• Ruedas dentadas.
• Engranes.
A ) B ) C)
F ig. 3.6.- A ) S istem a de poleas con band as. B ) S istem a de en gran es de d ientes rectos. C) S istem a de en gran es d en tad os y cadenas.