Diseño y construcción de un embrague para el funcionamiento de un sistema de refrigeración impulsado por energía eólica

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(1)DISEÑO Y CONSTRUCCIÓN DE UN EMBRAGUE PARA EL FUNCIONAMIENTO DE UN SISTEMA DE REFRIGERACIÓN IMPULSADO POR ENERGÍA EÓLICA. Autor: Germán Gerardo Hurtado Castro. Proyecto de grado como requisito para acceder al título de Ingeniero Mecánico. Asesor: Rafael Beltrán Ingeniero Mecánico, M.Sc. Profesor Instructor. Universidad De Los Andes Facultad de Ingeniería Departamento de Ingeniería Mecánica. Bogotá, Enero del 2007.

(2) IM-2006-II-17. AGRADECIMIENTOS Deseo agradecer a todos aquellos que de alguna forma u otra ayudaron a la realización de este proyecto. Mis papás y hermanas sobre todo, por brindarme su incondicional apoyo a lo largo de la carrera. A Manuel Caldas que siempre estuvo dispuesto a ayudarme en todo y a muchos amigos que también me apoyaron estando pendientes del proyecto. A mi asesor Ing. Rafael Beltrán, por permitirme trabajar en este proyecto y por brindarme su ayuda a lo largo del mismo. Así mismo a otros profesores de planta por ayudarme con su asesoría, ellos son Ing. Jaime Loboguerrero, Ing. Carlos Francisco Rodríguez e Ing. Alejandro Marañon. A Carolina Gómez y Marco Torres por su ayuda en la secretaria del departamento. A Mateo Muñoz, Jorge Reyes, Ramiro Beltrán y a Omar, por brindarme su importante ayuda en el laboratorio de mecánica.. ii.

(3) IM-2006-II-17. TABLA DE CONTENIDOS INTRODUCCIÓN………………………………………………..………….…………1 OBJETIVOS GENERALES……………………………………………….……........3 OBJETIVOS ESPECÍFICOS…………...……………………………………..3 DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN……………….…..……..4 ¿POR QUÉ ES NECESARIO EL EMBR AGUE EN EL SISTEMA?.....................7 DIFICULTADES DEL EMBRAGUE ANTERIOR……………....…………………..9 CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO DEL EMBR AGUE…………………..11 COMPORTAMIENTO IDEAL DEL EMBR AGUE…………………………….......13 PROCEDIMIENTO DE DESARROLLO DEL DISEÑO………………………….14 EMBR AGUES CONSIDERADOS………………………………………………….16 CARACTERÍSTIC AS Y VENTAJAS DEL EMBR AGUE DE DISCO……………20 CARACTERÍSTIC AS Y FUNCIONAMIENTO DEL DISEÑO REALIZADO…....21 PAR ÁMETROS DE DISEÑO………………………………………………..……...25 AN ÁLISIS TEÓRICO………………………………………………………………...30 MODEL AMIENTO DEL DISEÑO…………………………………………………..36 MODEL AMIENTO POR SOLID EDGE……………………………………..36 MODEL AMIENTO POR ANSYS…………………………………………….39 PROCESO DE FABRICACIÓN…………………………………………………….50 PROCESO DE FUNDICIÓN…………………………………………………51 PROCESO DE MEC ANIZADO………………………………………………56 RESULTADO FIN AL…………………………………………………….……58 PRUEBAS DE FUNCIONAMIENTO…………………………………………….…59 ACOPLE A L AS RPM ADECUAD AS………………………………………..61 TRANSMISIÓN DE TORQUE………………………………………………..64 CONCLUSIONES…………………………………………………………………...73 ANEXOS………..……………………………………………………………………75 PLANOS DE LOS ELEMENTOS…………………………………………….75 MANUAL DE FUNCIONAMIENTO DE L A CELDA DE C ARGA…………78. iii.

(4) IM-2006-II-17 BIBLIOGR AFÍA Y REFERENCIAS………………………………………………..79. LISTA DE FIGURAS Figura 1. Vista del sistema de refrigeración en el laboratorio (Archivo Particular)…………………………………………………………………………………..5 Figura 2. Vista detallada del sistema (Archivo Particular)……………………………6 Figura 3. Vista del embrague dentro del sistema (Archivo Particular)……………...6 Figura 4. Fotografía del embrague utilizado antes. (Archivo particular)……………9 Figura 5. Fotografía del sistema instalado (Archivo particular)…………………….12 Figura 6. Vista de embrague centrífugo. (Imagen tomada de [2])………………...16 Figura 7. Embrague cónico. (Tomado de [2])........................................................17 Figura 8. Vista de un embrague hidráulico. Recuperado de: …….............................18. http://www.orttech.com/Images/hydraulic_acc_drawing4(ee9au1).jpg. Figura 9. Vista esquemática de un embrague neumático (Autor desconocido) …19 Figura 10. Vistas explosionadas del diseño planteado (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)……………………………………………………………………..21 Figura 11. Imagen de los recubrimientos de asbesto. Recuperado de: http://auto.howstuffworks.com/framed.htm?parent=clutch.htm&url=http://www.sup ercircle.com/prod07.htm ................................................................................................25. Figura 12. Vista de los orificios para refrigerar el embrague. (Archivo particular)………………………………………………………………………………....29 Figura 13. Vista del embrague en contacto (Imagen tomada de [2])……………...32 Figura 14. Diagrama de los estados inicial en equilibrio y Estado final, respectivamente, de una de las masas………………………………………………..33 Figura 15. Vista del contacto del juego de masas con el disco y con el respectivo resorte……………………………………………………………………………………..34 Figura 16. Modelamiento de la Carcaza (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)……………………………………………………………………………………...36 Figura 17. Modelamiento del disco conductor (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)……………………………………………………………………………….37 Figura 18. Modelamiento del juego de masas (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)……………………………………………………………………………….37 Figura 19. Modelamiento de los discos de fricción (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)…………………………………………………………………………...38 Figura 20. Modelamiento de todo el conjunto de elementos que componen al embrague (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)…………………………….39 Figura 21. Imagen de la carcaza con las fuerzas aplicadas sobre sí. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)…………………………………………………………....40 Figura 22. Imagen de la carcaza y disco conductor con las fuerzas aplicadas en el segundo estado. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)……………………….41 Figura 23. Simulación de Esfuerzos de Von Misses sobre la carcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)……………………………………………………………41 iv.

(5) IM-2006-II-17 Figura 24. Simulación de esfuerzos de Von Misses sobre la carcaza, disco conductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)………………………..42 Figura 25. Simulación de esfuerzos cortantes sobre la carcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)……………………………………………………………43 Figura 26. Simulación de esfuerzos cortantes sobre carcaza, disco conductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)……………………………………....44 Figura 27. Simulación del factor de seguridad sobre la carcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)…………………………………………………………....45 Figura 28. Simulación del factor de seguridad de la carcaza, disco conductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)……………………………………....46 Figura 29. Simulación de la deformación total sobre la carcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)…………………………………………………………....47 Figura 30. Simulación de la deformación total sobre la carcaza, disco conductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)…………………………………….48 Figura 31. Imágenes de los videos utilizados para simular el funcionamiento del embrague. (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)…………………………………49 Figura 32. Imagen del proceso de mecanizado – laboratorio U. Andes (Archivo Particular)…………………………………………………………………………………50 Figura 33. Fotografía del lugar de fundición, moldes y proceso (Archivo Particular)…………………………………………………………………………………50 Figura 34. Vista de la carcaza luego del proceso de fundición. (Archivo particular)………………………………………………………………………………....51 Figura 35. Vista del molde de arena de la carcaza. (Archivo particular)………….52 Figura 36. Vista del molde de arena en su camisa de pistón para la fundición de la carcaza. (Archivo Particular)……………………………………………………..52 Figura 37. Vista del molde de arena en su camisa de pistón para la fundición de la carcaza. (Archivo Particular)……………………………………………………..53 Figura 38. Vista del modelo en madera del disco conductor. (Archivo particular)…………………………………………………………………………………54 Figura 39. Imágenes del molde del disco conductor así como su acabado posterior. (Archivo particular)…………………………………………………………..54 Figura 40. Perfiles de la fundición en bronce. (Archivo Particular)……………….56 Figura 41. Vista del proceso de mecanizado de la carcaza. (Archi vo particular)..57 Figura 42. Diferentes etapas del mecanizado sobre el disco conductor. (Archivo Particular)………………………………………………………………………57 Figura 43. Diferentes imágenes del resultado luego de la manufactura de la pieza. (Archi vo Particular)………………………………………………………………58 Figura 44. Imagen del montaje sobre el cual se realizarán las pruebas al embrague. (Archivo particular)…………………………………………………………59 Figura 45. El montaje ya instalado y con el embrague acoplado. (Archivo particular)…………………………………………………………………………………60 Figura 46. Vista del motor Siemens. (Archivo particular)…………………………..60 Figura 47. Vista del variador de velocidad Altivar. (Archivo particular)…………...61. v.

(6) IM-2006-II-17 Figura 48. Vista del eje de salida como se soporta y llega finalmente al freno magnético. (Archivo particular)………………………………………………………...61 Figura 49. Imagen de la pistola estroboscópica. (Archivo particular)……………..62 Figura 50. Fuente Kepco. Recuperado de: http://mecanica.uniandes.edu.co/manager.php?id=647&accion=1&parent_id=559 ....................65 Figura 51. Vista de la conexión del embrague magnético con la fuente Kepco. (Archivo particular)……………………………………………………………………....65 Figura 52. Imagen del freno magnético junto con la celda carga. (Archivo particular)……………………………………………………………………………...….66 Figura 53. Imagen de la fuente dual. Recuperado de: http://mecanica.uniandes.edu.co/manager.php?id=651&accion=1&parent_id=559 ....................66 Figura 54. Imagen del multímetro. Recuperado de: http://mecanica.uniandes.edu.co/manager.php?id=614&accion=1&parent_id=613 ....................66 Figura 55. Imagen de la celda de carga y de los pesos, respectivamente. (Archivo particular)………………………………………………………………………68 Figura 56. Vista del montaje para la calibración de la celda de carga. (Archivo particular)…………………………………………………………………………………69. LISTA DE ILUSTRACIONES Ilustración 1. Vista del sistema instalado (Imagen tomada de [3])…………………4 Ilustración 2. Vista detalla del sistema (Imagen tomada de [3])…………………….4 Ilustración 3. Bosquejo del funcionamiento del sistema……………………………11 Ilustración 4. Vista explosionada del embrague de disco (Autor desconocido)...20 Ilustración 5. Vista esquemática del funcionamiento básico del diseño (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge)………………………………...………22 Ilustración 6. Se puede observar la distancia A entre el eje y la celda de carga. (Archivo particular)……………………………………………………………………….67. LISTA DE TABLAS Tabla 1. Propiedades del aluminio y del hierro gris (Imágenes obtenidas a partir de Ansys)………..………………………………………………………………….........28 Tabla 2. Datos sobre la prueba de acople a RPM…………………………………...63 Tabla 3. Datos obtenidos de la calibración de la celda de carga…………………..69 Tabla 4. Datos obtenidos de la prueba de transmisión de torque………………….71. vi.

(7) IM-2006-II-17. LISTA DE GRÁFICAS Gráfica 1. Capacidad de refrigeración vs. RPM del compresor. Recuperado de http://www.sanden.com ..................................................................................................7 Gráfica 2. Gráfica del comportamiento del embrague actual (Autor desconocido) …………………………………………………………………………….10 Gráfica 3. Gráfica de torque contra velocidad angular……………………………..13 Gráfica 4. Gráfica de torque contra tiempo…………………………………………..13 Gráfica 5. Gráfica de Temperatura Vs. Desgaste. Recuperado de: http://auto.howstuffworks.com/framed.htm?parent=clutch.htm&url=http://www.supercircle.com/ prod07.htm .................................................................................................................25. Gráfica 6. Curvas de RPM del acople y desacople del embrague………………...64 Gráfica 7. Curva obtenida de la calibración de la celda de carga………………….70 Gráfica 8. Curva obtenida luego de la prueba de transmisión de torque…………71. LISTA DE ANEXOS Planos de los elementos………………………………………………………………..75 Manual de funcionamiento de la celda de carga……………………………………..78. vii.

(8) IM-2006-II-17. INTRODUCCIÓN El propósito y la motivación principal de este proyecto es la de diseñar y construir satisfactoriamente un embrague que cumpla ciertos requerimientos y especificaciones de un sistema de refrigeración impulsado por energía eólica. Antes de conocer todos los pormenores relacionados con el diseño y construcción del embrague dentro del sistema mencionado, debemos conocer qué es un embrague, y cuáles son sus funciones y características principales. El embrague es un dispositivo el cual permite la transmisión de potencia entre ejes. y permite el acople y desacople de elementos mecánicos. Su. funcionamiento puede ser mecánico, hidráulico, eléctrico, o neumático. La función del embrague es la de permitir una conexión y desconexión suave y gradual de dos ejes con un eje de rotación común. Existen varios tipos de embragues en la industria, los cuales son utilizados dependiendo de la aplicación en particular, tenemos entre otros.. -. Embrague centrífugo: este embrague se beneficia de los efectos centrífugos, con lo cual es capaz de transmitir gran torque, incluso a baja velocidad.. -. Embrague de discos: lo componen una serie de discos en paralelo con una superficie de fricción entre ellos. Pueden producir gran capacidad de torque en un volumen relativamente pequeño.. -. Embrague cónico: es similar del embrague de discos pero su superficie de contacto está inclinada un ángulo determinado.. -. Embrague hidráulico: requiere un fluido especial para su funcionamiento, es capaz de suministrar grandes fuerzas.. 1.

(9) IM-2006-II-17 -. Embrague neumático: trabaja con una fuente de aire comprimido y es capaz de suministrar un gran torque.. Conociendo las funciones y características básicas de varios tipos de embrague, su diseño deberá en primera instancia y en función del comportamiento esperado del mismo, tomar ciertos elementos. de los. embragues conocidos en la industria que le permitan obtener el desempeño esperado del embrague para esta aplicación en particular. El diseño se basó en varios conceptos teóricos y en el conocimiento del funcionamiento del sistema de refrigeración. Se modeló el embrague para saber su viabilidad y una vez construido se realizaron pruebas para comprobar su adecuado funcionamiento.. 2.

(10) IM-2006-II-17. OBJETIVO GENERAL El objetivo general es el de diseñar y construir un embrague en un sistema de refrigeración propulsado por energía eólica. El embrague deberá cumplir la función básica de transmitir una cantidad determinada de torque y debe estar en capacidad de acoplarse y desacoplarse a unas revoluciones por minuto establecidas.. OBJETIVOS ESPECÍFICOS Teniendo como base al sistema de refrigeración, sobre el cual se profundizará mas adelante, el embrague se debe diseñar de manera que cumpla en forma adecuada con parámetros tales como: •. Comportamiento esperado b ajo determinadas RPM y b ajo cierto torque desde el motor hacia el compresor. Con lo cual se cumple el propósito principal de la construcción del embrague.. •. Adecuado acoplamiento al sistema de refrigeración. Con esto se garantiza que el embrague cumpla con los requerimientos del sistema de refrigeración y no afecte el comportamiento como tal del sistema.. •. Diseño simple pero eficiente. El diseño debe ser muy funcional y práctico, se debe pensar en su viabilidad económica y técnica.. •. Transición adecuada: El embrague debe hacer la transición entre el incrementador de velocidad proveniente del molino de viento y el compresor que cumplirá con la función final de refrigerar.. •. Facilidad de construcción. Esto va acorde con la simplicidad del diseño, ya que un diseño muy complejo de construir hará que los costos del proyecto como tal aumenten y que el plazo dado para el mismo no sea suficiente.. 3.

(11) IM-2006-II-17. DESCRIPCIÓN DEL SISTEMA DE REFRIGERACIÓN Es muy importante conocer de forma detallada el sistema de refrigeración sobre el cual el embrague va a funcionar, ya que de aquí partió la motivación y la necesidad para realizar este proyecto. El propósito del sistema es el de refrigerar mediante el uso de un molino de viento. Como se observa en la figura el sistema es propulsado por el viento, el cual hace girar el molino y este a su vez a lo largo del proceso hace funcionar el compresor, con el cual es posible refrigerar.. Ilustración 1. Vista del sistema ins talado (Imagen tomada de [3]). En la siguiente ilustración se puede apreciar el funcionamiento interno del sistema de refrigeración, el embrague (no aparece en la imagen) tiene su lugar entre el incrementador de velocidad y el compresor.. Ilustración 2. Vista detalla del sistema (Imagen tomada de [3]). 4.

(12) IM-2006-II-17 En las siguientes figuras podemos observar el sistema de refrigeración instalado en el laboratorio de la universidad. Un motor eléctrico cumple la función del molino de viento (extremo derecho en las imágenes), este es impulsado por un variador de velocidad altivar. Seguido al motor se encuentra el incrementador de velocidad (de color azul en las imágenes), el cual tiene una relación 1:4.5, es decir incrementa la velocidad proveniente del motor en 4.5 veces. Luego del incrementador, se encuentra el embrague, encargado de acoplarse y desacoplarse bajo determinadas RPM y también se encarga de entregar un torque esperado, todo esto para hacer funcionar correctamente al compresor que se encuentra a continuación del embrague. El compresor (del cual salen mangueras negras en las imágenes) tiene una capacidad aproximada de 90 cc. En la parte inferior se pueda observar el refrigerador, de color blanco, dentro del cual se espera que la temperatura disminuya, de acuerdo a lo establecido dentro de los parámetros del sistema de refrigeración.. Figura 1. Vista del sistema de refrigeración en el laboratorio (Archi vo Particular). 5.

(13) IM-2006-II-17. Figura 2. Vista detallada del sistema (Archi vo Particul ar). Figura 3. Vista del embrague dentro del sistema (Archi vo Particular). 6.

(14) IM-2006-II-17. ¿POR QUE ES NECESARIO EL EMBRAGUE EN EL SISTEMA? El embrague es necesario dentro del sistema de refrigeración por varias razones, entre las cuales tenemos: •. Es necesario principalmente para un óptimo funcionamiento del compresor, ya que a RPM menores a 950, la eficiencia del compresor es mínima y su capacidad de refrigerar es muy baja, tal como se puede observar en la siguiente gráfica, donde se muestra la capacidad de refrigeración del compresor dada por el fabricante. Por lo cual el embrague es útil para aprovechar el compresor de la forma más eficiente posible.. Gráfica 1. Capacidad de refrigeración vs. R PM del c ompresor. Recuperado de http://www.sanden.com. 7.

(15) IM-2006-II-17 •. De acuerdo al manual de funcionamiento del compresor, éste tiene máxima eficiencia (mayor porcentaje de eficiencia volumétrica) desde 1100 hasta 2000 RPM. Si se utiliza el compresor a unas RPM mayores o menores, no se está aprovechando la capacidad que el compresor puede suministrar.. •. Otra razón importante para utilizar el embrague, es que si se mantiene al compresor trabajando en un intervalo de RPM eficiente aumenta la vida útil del compresor y a la ve z permite ahorrar energía.. 8.

(16) IM-2006-II-17. DIFICULTADES DEL EMBRAGUE ANTERIOR El anterior embrague utilizado en sistema de refrigeración presentaba varios problemas. En primer lugar este embrague fue sacado directamente de una moto, por lo cual sus características inicialmente no son funcionables ni pensadas para esta aplicación.. Figura 4. Fotografía del embrague utilizado antes. (Archi vo partic ular). El embrague usado con anterioridad se acoplaba completamente a las 3400 RPM, lo cual es bastante tarde para el compresor, ya que como sabemos éste debe acoplarse a 950 RPM aproximadamente. Esto era un grave problema, dado que como se explicó antes, no era posible de esta forma utilizar eficientemente el compresor y sólo era posible refrigerar en alguna medida pero en RPM muy altas y por un corto espacio de tiempo. En la siguiente gráfica podemos apreciar el comportamiento que tenía el anterior embrague. Se puede observar que este se acoplaba a unas RPM muy altas, lo cual es claramente inadecuado para esta aplicación en particular.. 9.

(17) IM-2006-II-17. Gráfica 2. Gráfica del comportamiento del embrague actual. (Autor desconoci do). Por otra parte el embrague anterior, a pesar de haber sido modificado ligeramente en sus características y geometría, no reaccionaba como se espera y presentaba cierta histéresis. El torque entregado además no era lo suficientemente alto y por otra parte era poco estable y cambiaba un poco con el tiempo.. 10.

(18) IM-2006-II-17. CONDICIONES DE FUNCIONAMIENTO DEL EMBRAGUE Las condiciones sobre las cuales el embrague deberá trabajar son estimadas en el laboratorio y de acuerdo a estos parámetros se realizó el diseño del embrague. Como se ha explicado con anterioridad y como se puede apreciar en la siguiente ilustración, el embrague se encuentra ubicado entre el incrementador de velocidad y el compresor mismo.. Ilustración 3. Bosquejo del funcionamiento del sistema. Según los datos obtenidos en las pruebas en el laboratorio, se estima que el torque de funcionamiento óptimo del compresor estará entre 12 y 14 N.m, estando el compresor cargado, y con una velocidad angular entre 950 a 1100 RPM. Además se deben tener en cuenta ciertos factores relacionados con el funcionamiento del embrague: -. Según estudios, la velocidad promedio en la zona donde en teoría estaría ubicado el molino es de 7.7 m/s, pero se asume que el molino puede girar entre 150 y 600 RPM. El embrague debe funcionar bien en este rango, ya que en teoría la velocidad del viento es variable y el embrague debe estar en capacidad de trabajar sólo bajo las RPM eficientes del compresor.. 11.

(19) IM-2006-II-17 -. Este sistema de refrigeración debe tener total independencia energética, es decir, no debe tener ningún suministro de energía externo, ya que esto iría en contravía del proyecto mismo, de la misma forma el funcionamiento del embrague tampoco debe requerir ningún tipo energía externo. Es decir, no debe requerir ningún suministro de energía eléctrica, hidráulica, neumática, etc.. Figura 5. Fotografía del sistema instalado (Archi vo particular). 12.

(20) IM-2006-II-17. COMPORTAMIENTO IDEAL DEL EMBRAGUE Estas gráficas representan el comportamiento esperado del embrague, en que momento se espera que se acople y desacople y bajo que torque y velocidad angular.. Gráfica 3. Gráfic a de torque contra velocidad angular. Gráfica 4. Gráfica de torque contra ti empo. 13.

(21) IM-2006-II-17. PROCEDIMIENTO DE DESARROLLO DEL DISEÑO El procedimiento de desarrollo del diseño siguió una serie de pasos o etapas, sobre las cuales se fue avanzando y perfeccionando el diseño del embrague. •. Identificación de necesidades y requerimientos del sistema: Lo primero es conocer cuáles son las necesidades básicas del sistema y porque es necesario el embrague dentro del sistema. Una vez identificada esta necesidad se deben estudiar los requerimientos y las especificaciones del sistema.. •. Estudio de viabilidad de opciones existentes según rendimiento/costo: Se deben plantear diferentes opciones para cumplir con el requerimiento del sistema, se deben estudiar desde el punto de vista de rendimiento / costo, y determinar si el diseño es viable o no.. •. Análisis teórico y comparativo de las diferentes opciones: El análisis teórico es primordial a la hora de considerar una opción si es viable o no, por tal razón el sustento teórico debe estar presente cuando se considere y apruebe o desapruebe una opción.. •. Una vez identificado el tipo de embrague a utilizar, se diseña según los requerimientos del sistema: Una vez completadas las etapas anteriores es posible determinar una opción clara del embrague a diseñar. Se relaciona el diseño planteado con los requerimientos del sistema de refrigeración y se proyecta para que cumpla con las especificaciones requeridas.. •. Se realiza su modelamiento con programas computacionales: Es importante. que. el. diseño. sea. modelado. mediante. programas. computacionales (Solid Edge y Ansys), de esta forma es posible encontrar errores en el diseño planteado y corregirlos a tiempo, así mismo es posible conocer si los elementos van a resistir el régimen de trabajo del embrague.. 14.

(22) IM-2006-II-17 De otra parte, permite generar planos con los cuales su construcción se posibilita. •. Se consideran y se cotizan las opciones para su manufactura: Una vez concluida la etapa de modelamiento computacional y ya que el diseño esta totalmente definido, se consideran y se cotizan las diferentes opciones de manufactura del embrague, se tienen en cuenta factores tales como calidad, tiempo de entrega y precio.. •. Se realiza su construcción mediante fundición y mecanizado: Se elige la opción más favorable de acuerdo a los requerimientos anteriormente descritos. Se elige en primer lugar una fundición de los elementos y un mecanizado posterior.. •. Se realizan las diferentes pruebas para comprobar su funcionalidad: Una vez concluida la etapa de manufactura y el embrague está completamente listo se procede a realizar las diferentes pruebas para comprobar la funcionalidad predicha del embrague. Se comprueba que cumpla con los requerimientos del sistema de refrigeración y se realizan las diferentes curvas que describen el comportamiento del embrague.. 15.

(23) IM-2006-II-17. EMBRAGUES CONSIDERADOS De acuerdo al procedimiento de desarrollo del diseño, se deben considerar los diferentes tipos de embragues en la industria y se deben especificar cuales cumplen con los requerimientos del sistema. •. Embrague centrífugo: este embrague se beneficia de los efectos centrífugos, con lo cual es capaz de transmitir gran torque, incluso a baja velocidad.. Figura 6. Vista de embrague centrífugo. (Imagen tomada de [2]). Ventajas: -. Facilidad de construcción.. -. Permiten mayor aceleración del motor durante el arranque. -. En términos generales cumple con la función de esta aplicación. Desventajas: -. Inestabilidad a largas RPM.. -. Tamaño superior para obtener torque deseado.. -. Precisión no muy exacta dependiendo del uso de la zapata.. -. Desajuste de las piezas durante acoplamiento del embrague.. Haciendo un análisis teórico para el torque deseado, se obtiene que la geometría para entregar el par deseado es considerable ya que se requiere construir el embrague de 30 cm. de diámetro y las masas del embrague. 16.

(24) IM-2006-II-17 deben pesar alrededor de 91 gr. cada una (4 zapatas más sus respectivas pastillas) para entregar un torque de 12 N.m. •. Embrague cónico: es similar del embrague de discos, sobre el cual se hablará en detalle más delante, pero su superficie de contacto está inclinada cierto ángulo, tal como se observa en la siguiente figura.. Figura 7. Embrague cónico. (Tomado de [2]). Ventajas: -. Buena entrega de torque sin suministrar una gran fuerza axial.. -. Menor sensibilidad a los cambios en el coeficiente de fricción (debidos a calor).. -. Consta de menores partes que otros embragues.. Desventajas: -. Es necesario un recubrimiento adecuado para su uso.. -. Gastos de fabricación altos así como construcción compleja.. -. Comparativamente tiene desventajas con el embrague axial (tipo moto), ya que se puede obtener mayor torque por unidad de volumen con este último.. En su funcionamiento es similar al embrague de discos pero sus prestaciones en rendimiento son menores y su construcción más compleja. En teoría es una buena opción para esta aplicación pero comparativamente el embrague de discos presenta mejores características.. 17.

(25) IM-2006-II-17. •. Embrague hidráulico: presenta características muy favorables para esta aplicación pero algunas de sus características impiden que se usado dentro del sistema.. Figura 8. Vista de un embrague hidráulico. Recuperado de: http://www.orttech.com/Images/hydraulic_acc_drawing4(ee9au1).jpg. Ventajas: -. Es compacto.. -. Capaz de suministrar grandes fuerzas.. -. Respuesta rápida.. -. Buen control.. Desventajas: -. Se requiere fluido especial.. -. Debe existir control de temperatura para no vaporizar fluido.. -. Se debe tener especial control sobre los sellos.. Es capaz de cumplir los requerimientos del sistema pero requiere de una fuente energía externa, con lo cual se pierde la independencia propia del sistema de refrigeración. Además su construcción puede ser algo compleja y costosa.. 18.

(26) IM-2006-II-17 •. Embrague neumático: presenta buenas propiedades pero trabaja con una fuente de aire comprimido y esto le impide ser considerado seriamente para esta aplicación.. Figura 9. Vista esquemática de un embrague neumátic o. (Autor desconocido). Ventajas: -. Capaz de suministrar buen torque.. Desventajas: -. Se necesita una fuente de aire comprimido.. -. Se debe tener especial control sobre los sellos.. -. Su respuesta es lenta.. De acuerdo a las características de los embragues, es posible obtener los resultados esperados modificando el diseño de uno o varios embragues existente para esta aplicación en particular.. Si bien es posible encontrar un embrague en la industria que suministre el torque requerido así como que sea capaz de embragar a determinadas RPM, estos pueden resultar más costosos y puede que requieran algún tipo de suministro de energía extra, lo cual va en contravía con el principio básico del sistema de refrigeración. El embrague se basará principalmente en el funcionamiento del embrague de discos por lo que se debe especificar más a fondo la forma como este trabaja así como sus especificaciones.. 19.

(27) IM-2006-II-17. CARACTERÍSTICAS Y VENTAJAS DEL EMBRAGUE DE DISCO El diseño del embrague se ha basado en parte en el embrague de discos que existe en la industria, también en el funcionamiento del embrague centrífugo. Sin embargo se ha modificado para cumplir con las especificaciones del sistema de refrigeración.. A continuación se describe el funcionamiento del embrague de discos que se encuentra en la industria. Como su nombre lo indica, el embrague contiene una serie de discos paralelos entre sí y tienen una superficie de alta fricción entre ellos. Puede producir gran capacidad de torque en un volumen relativamente pequeño.. Los discos se unen o separan dependiendo de la velocidad angular del embrague. Tienen una superficie de contacto alta lo que permite un gran contacto y una transmisión de torque adecuada, así mismo esto se ve reflejado en una distribución pareja de presión y por ende en una buena respuesta. A pesar que contiene varias piezas, la mayoría no reviste mucha dificultad en su construcción, ya que en su gran parte, está compuesto por discos. Otra característica interesante de este embrague es que tiene gran facilidad para disipar el calor generado durante el acople.. Ilustración 4. Vista explosionada del embrague de disco (Autor desc onocido. 20.

(28) IM-2006-II-17. CARACTERÍSTICAS Y FUNCIONAMIENTO DEL DISEÑO REALIZADO El embrague diseñado se ha basado en el principio de dos tipos de embragues, el centrífugo y el de discos. Con esta combinación es posible cumplir con los requerimientos del sistema, como se verá mas adelante en el análisis teórico.. Figura 10. Vistas explosionadas del diseño planteado (Imágenes obteni das a partir de Solid Edge). 21.

(29) IM-2006-II-17 Ahora se explicará de la forma más clara posible, el funcionamiento del embrague que fue diseñado. Se toma como referencia la siguiente ilustración.. F. E. D. A. C. B. Ilustración 5. Vista esquemática del funcionamiento básic o del diseño (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge). Siguiendo a la ilustración anterior, se toma a la imagen con la letra A como punto de partida. Aquí se tiene todo el embrague en vista explosionada y ahora se procederá a explicar cada componente que hace parte del embrague diseñado. En la imagen A tenemos al embrague de costado, de derecha a izquierda tenemos la carcaza sobre la cual están contenidos los demás elementos del embrague, el disco conductor junto con el juego de masas de color naranja y azul claro, seguido a este se encuentra todo el juego de discos, los cuales tienen entre sí cuatro resortes. 22.

(30) IM-2006-II-17. Ahora en la imagen B se tiene en mayor detalle al disco conductor, este se encuentra atornillado a la carcaza y por el centro del mismo ingresa el eje de entrada, proveniente del incrementador de velocidad. Tiene además ocho juegos de cinco masas, como se puede observar en la imagen C. Estas se encuentran fijas a un aro que está dispuesto sobre el disco conductor.. En este punto es importante anotar como funciona hasta aquí el embrague, las masas como se vio se encuentran sobre un aro que a su vez está en el disco conductor, y como sabemos este se encuentra fijo a la carcaza. Cuando el eje de entrada se mueve, como es obvio también se va a mover el disco conductor y la carcaza. Los juegos de masas igualmente se mueven en el mismo sentido y además giran hacia adelante sobre el aro en el cual están contenidas cuando se llegan a unas RPM específicas, se mueven debido a su geometría, ver imagen D, se explicará mas a fondo este fenómeno en el análisis teórico. Ahora, como los juegos de masas se mueven desde unas RPM específicas, estas a su vez mueven el disco que se encuentra al frente de ellas, ver imágenes A y E. Del juego de discos que se puede observar, el primero de derecha a izquierda es empujado por los juegos de masas y el último permanece estático, entre ellos existen 4 resortes que son comprimidos dependiendo de si las RPM son suficientemente altas para que los juegos de masas empujen al primer disco. Estos dos discos se mueven a la misma velocidad que lo hace el eje de entrada y la carcaza. Cuando efectivamente los juegos de masas se mueven hacia delante y el primer disco se comprime contra el último, a su vez los discos que se encuentran en el medio de estos dos, ver imagen E, se empiezan a acercar entre sí, hasta que se llega al punto donde estos se pegan o se fijan entre sí, debido al material de alta fricción (asbesto) que existe entre ellos.. De los discos de fricción contenidos entre el primer y último disco los hay de dos tipos, con orejas o con dientes. En la imagen F, el de arriba que es el de orejas, sólo hay uno, permanece en todo el medio de los discos, sus orejas, 23.

(31) IM-2006-II-17 que son las prominencias saliendo del disco, lo mantienen todo el tiempo girando con el. eje de entrada y con la carcaza. A medida que las RPM. aumentan, los discos se van acercando cada vez más entre sí, y los discos de dientes, que son dos, se van acercando al disco de orejas, hasta que llega el punto donde se unen y empiezan a girar a la misma velocidad, en este momento se puede decir que el embrague se ha acoplado, ya que los dientes de los discos con el mismo nombre, engranan a otro elemento que a su vez esta conectado directamente con el eje de salida. Finalmente se encuentran girando a la misma velocidad el eje de entrada y el de salida. Si las RPM disminuyen una vez el sistema esta acoplado, el mismo proceso se produce pero al revés, es decir, los juegos de masas se mueven hacia atrás y por ende los discos se van a separar y el sistema ya no va a estar embragado. A pesar que el sistema parece tener un funcionamiento complejo, es bastante eficiente y cumple con su propósito para el cual fue diseñado.. 24.

(32) IM-2006-II-17. PARÁMETROS DE DISEÑO •. Desgaste entre discos:. El desgaste entre los discos es el factor limitante en el diseño del embrague y por lo tanto es un factor que se debe tomar muy en cuenta. El material que recubre los discos de fricción está hecho en asbesto, posee gran módulo de elasticidad y un coeficiente de fricción considerable.. Figura 11. Imagen de los r ecubrimientos de asbesto. Recuperado de: http://auto.howstuffworks.com/framed.htm?parent=clutch.htm&url=http://www.supercircle.com/prod07.htm. Estos recubrimientos tienen gran resistencia al desgaste y a la ruptura. Tiene un coeficiente de fricción medio. Presenta características similares a las mostradas en la siguiente gráfica del comportamiento de un asbesto muy similar al usado en el embrague:. Gráfica 5. Gráfica de Temperatura Vs. Desgaste. Rec uperado de: http://auto.howstuffworks.com/framed.htm?parent=clutch.htm&url=http://www.supercircle.com/prod07.htm. 25.

(33) IM-2006-II-17 Propiedades físicas: Densidad (gm/cc) Dureza Rockwell (HRL) Resistencia a la ruptura(RPM ) Presión permisible (Psi.) Presión de diseño (Psi.) Temp. M áx. de operación continua Temp. M áx. De operación transiente. 1.80 - 2.00 75 - 100 > 12,000 75-100 35 200°C 300°C. El desgaste es adhesivo ya que los discos se encuentran en contacto a velocidades distintas. La tasa de desgaste es proporcional a la carga axial y es independiente de la velocidad de deslizamiento entre los discos.. h=. kPL , donde: 9 Asy. h = profundidad del desgaste k = coeficiente de desgaste, es 5 × 10 −6 por el contacto metal – no metal con poco nivel de lubricación P = carga L = distancia de deslizamiento A = área de la superficie Sy = esfuerzo de cedencia del material más suave. De esta ecuación de desgaste se deriva la siguiente ecuación:. τ = Pfrm =. D/2. ∫ 2π * f * p * r dr , 2. d /2. El cual es el torque transmitido entre los discos., donde f es el coeficiente de fricción, el cual es de 0.3 a 0.4 para asbestos en compuestos de caucho en contacto con metal.. 26.

(34) IM-2006-II-17 •. Factor de seguridad de piezas:. Siempre es recomendable diseñar todos los elementos mecánicos con un cierto factor de seguridad que permita tener mayor confianza en que dichos elementos no fallarán antes de tiempo y que soportarán los esfuerzos sin problema alguno dentro de un lapso de tiempo esperado. Por tal motivo se utiliza la siguiente relación del factor de seguridad:. f .s =. Pf sf = = 1.5 − 2 Pd sd. Donde se establecen relaciones seguras para las cargas y los esfuerzos, entre los valores de falla del material y el valor de diseño. Esta relación se uso durante el diseño de forma que fuera seguro su funcionamiento •. Tolerancia y ajustes:. Las tolerancias y los ajustes fueron un factor importante dentro de la manufactura y dentro del funcionamiento del embrague mismo. Un ajuste adecuado permite un movimiento adecuado de los discos dentro del embrague, si hay interferencia, esto afecta en gran parte el desempeño del embrague. En general los planos dados a los técnicos fueron muy útiles para tener un acabado superficial muy bueno, sin embargo a la hora de acoplar los elementos en algunos pocos casos fue necesario lijar las superficies para tener un ajuste óptimo. •. Materiales a utilizar:. Los materiales más usados en estas aplicaciones es hierro gris, acero, aluminio y similares. Estos presentan muy buenas propiedades mecánicas y son ligeros y económicos, además son fáciles de maquinar.. 27.

(35) IM-2006-II-17. Tabla 1. Propiedades del alumi nio y del hierro gris (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). Como ya se especifico con anterioridad, para los recubrimientos en los discos de fricción se usa asbesto, el cual es ideal para esta aplicación. •. Disipación de calor :. La disipación de calor es un factor importante y que puede afectar bastante el funcionamiento y la vida de los diferentes componentes. En esta aplicación en particular, la disipación de calor fue óptima, ya que incluso en la etapa de mayor fricción, es decir cuando el embrague se acoplaba, éste permanecía frío al contacto, es decir, no superaba en gran medida la temperatura ambiente. Esto se debe a que el embrague cuenta con varios canales que permiten la refrigeración de los discos, en la siguiente imagen podemos apreciar dichos orificios, se encuentran a lado de los canales rectangulares, que son los encargados de soportar a las discos. Tienen forma redondeada.. 28.

(36) IM-2006-II-17. Figura 12. Vista de los orificios para refrigerar el embrague. (Archi vo particul ar). •. Vibración generada durante el funcionamiento:. Cierta vibración se experimentó durante el funcionamiento del embrague, aunque no se encontraba que fuera debida al embrague mismo, se producía porque el eje sobre el cual rotaba no era del todo estable y lineal, esto podía llegar a afectar el funcionamiento del embrague, y se llega incluso a tener un acople inestable si la vibración era alta. Sin embargo este problema se solucionó y el embrague funcionó correctamente.. 29.

(37) IM-2006-II-17. ANALISIS TEÓRICO Para el análisis de este embrague se puede hacer la suposición de desgaste uniforme o presión uniforme. Cuando los discos de fricción se encuentran completamente nuevos y están rígidamente soportados, se asume que la fuerza está distribuida uniformemente por toda el área de los discos del embrague, esta es la suposición de presión uniforme. Se toma sin embargo, la opción de desgaste uniforme para el análisis ya que los discos se gastan de manera laminar o lineal (el mayor desgaste ocurre inicialmente en las partes más externas por la mayor fricción) y dado que la presión en el embrague cambia con el tiempo (toma cierto lapso en acoplarse) para permitir que el desgaste sea uniforme.. Ahora que se ha hecho la suposición de desgaste uniforme se utilizan las fórmulas asociadas a esta suposición:. τ = Ffrm N =. D/ 2. 2 2 * f * p * r dr = π ∫. π * f * pa * d 8. d /2. D/2. F=. ∫. 2π * p * rdr =. π * pa * d. d /2. 2. (D2 − d 2 ). (D − d ). Donde:. τ. = torque del embrague. F = fuerza normal en disco f = Coeficiente de fricción rm = radio efectivo de las fuerzas de fricción, rm =. r1 + r2 2. N = número de planos de fricción. 30.

(38) IM-2006-II-17 Estas fórmulas relacionan el torque presente entre los discos de fricción,. τ, y la. fuerza axial, F, que produce dicho torque. Estos factores dependen a su vez de variables geométricas, como el diámetro de los discos y el área de fricción, del número de discos en el embrague y del coeficiente de fricción entre los discos. Para desarrollar estos factores debemos partir de valores conocidos, algunos se pueden conocer fácilmente, como los geométricos, el número de discos y el coeficiente de fricción, pero hay un factor que no podemos conocer encontrar tan rápidamente, es la fuerza axial.. Se puede dividir este análisis en dos partes, por un lado se tienen las fórmulas y el racionamiento para torque y fuerza axial, y la otra parte es el razonamiento que se debe hacer para encontrar la fuerza axial que produce el torque en cuestión. Esto se puede encontrar haciendo un análisis al juego de masas y como estas, al girar con las RPM del motor, producen la fuerza axial sobre los discos y resuelve la incógnita del torque.. De cierta forma este modelo no es del todo exacto y requiere algo de iteración, ya que si tenemos en cuenta la fórmula para el torque, se pueden modificar las variables y obtener resultados muy distintos, por ejemplo se puede variar el radio, o la relación r1/r2 e iterar con la fuerza hallada en la segunda parte del análisis para obtener un torque determinado, o viceversa. Así pues se puede modificar la fuerza axial necesaria para producir el torque deseado o el radio de los discos de contacto. Según el análisis realizado es posible obtener ciertos estimativos: -. Dado que se conoce el valor del torque requerido se puede encontrar que la presión máxima requerida será de 7.53 Psi = 51.91 KPa.. -. Por lo tanto con este valor se puede encontrar que la fuerza necesaria es de 407.32 N. Esta fuerza la deben generar los juegos de masas axialmente cuando alcancen determinadas RPM.. 31.

(39) IM-2006-II-17. Figura 13. Vista del embr ague en c ontacto (Imagen tomada de [2]). El torque transmitido depende de la geometría, de la fricción y de la fuerza aplicada P, la cual a su vez depende de la fuerza ejercida por las masas contra el disco. Esta fuerza ejercida a su vez depende de las RPM a las que gira el embrague.. En el intervalo de tiempo cuando las placas se encuentran muy cercanas entre sí y sus superficies empiezan a entrar en contacto y se deslizan entre sí, se puede afirmar que cuando las fuerzas de fricción entre las placas venzan a las fuerzas del resorte, es decir cuando la fricción entre los discos sea lo suficientemente grande como para que el disco que está estático pueda acomodarse al movimiento del disco que gira, entonces los discos se unirán y el sistema de acoplará. A continuación se explica el funcionamiento de las masas y cómo estas empujan y unen a los discos que están delante de ellas. En las siguientes imágenes se puede apreciar el contacto de las masas con el disco y como el resorte se resiste al movimiento del disco. En la imagen de la izquierda se tiene el estado inicial, cuando las RPM del motor son aún bajas y las masas no se ven obligadas a moverse hacia delante. En la segunda imagen se puede apreciar cuando las RPM llegan al punto donde el juego de masas reacciona y se mueve hacia delante y empuja y une los discos de fricción.. 32.

(40) IM-2006-II-17. Figura 14. Diagrama de los estados inicial en equilibrio y Estado final, respecti vamente, de una de las mas as.. En el diagrama de cuerpo libre de la masa se tiene que la afectan varios parámetros. En su centro de masa tiene su propio peso afectándola, algo que incluso podría ser ignorado si se asume que las masas giran muy rápido, también tiene a la fuerza centrífuga (que en realidad es una fuerza ficticia) la cual está relacionada por las RPM a las cuales gira el motor.. A continuación tenemos la ecuación para la fuerza centrífuga, se relaciona la masa del juego de masas, la velocidad angular de giro del motor y el radio de giro con respecto al centro del eje.. Fcf = m×ω2 × R Ahora para el estado inicial y final de contacto del juego de masas con el disco, se establecen unas ecuaciones, que relacionan su comportamiento para cada estado:. Estado inicial:. Estado Final:. ∑τ = Iα = 0. ∑. rr × Fr + rm × Fcf = 0. ∑τ =τ. τ = Iα Fr. +τ cm = Iα. 33.

(41) IM-2006-II-17 Se puede observar una relación para el torque en el punto de contacto entre el juego de masas y el disco, el cual en el instante inicial es cero dado que no hay movimiento. Así mismo esta relación nos permite llegar a variables que relacionan los factores que nos interesan, tal como la fuerza producida por el resorte, la fuerza centrífuga y la generada por la masa misma del juego de masas. De esta forma todo está relacionado, ya que tenemos una variable conocida y a través del proceso de análisis podemos llegar a encontrar el torque que se producirá en el embrague mediante los discos de fricción. En la siguiente imagen se puede observar, como el juego de masas hace contacto con el disco, como es de esperar, las masas que se encuentran en el centro de dicho juego, son las que soportan un esfuerzo mayor a las que se encuentran en los bordes, por tal motivo las masas de bronce se encuentran en la parte de afuera del juego ya que son un poco menos resistentes a las masas de acero con tratamiento térmico que se encuentran en el centro.. Figura 15. Vista del contac to del j uego de mas as con el disco y con el res pecti vo resorte.. En orden de acelerar un carga en reposo a una velocidad determinada, el torque del embrague de ser suficiente para sobreponerse al torque de dicha carga y a su inercia. Luego de que se logra dicha aceleración y ya que el eje. 34.

(42) IM-2006-II-17 de salida y el de entrada tienen la misma velocidad, es deseable que se transmita un torque deseado del eje de entrada al de salida. 1. Así mismo el grosor del disco se determina de acuerdo la siguiente relación :. Rango de diámetro del embrague [in] Grosor del disco [in]. 0-6. 6 -12. 12 -18. 18 -24. 1/32. 1/16. 3/32. 1/8. En este caso el embrague se encuentra dentro del primer intervalo por lo que grosor del disco debe ser de 1/32 in.. 1. . Myatt, Donald. Machine Design, An introductory text, Mc Graw Hill, 1962. Pág. 231. 35.

(43) IM-2006-II-17. MODELAMIENTO DEL DISEÑO El modelamiento del diseño es una clave dentro del diseño del embrague. Permite conocer a ciencia cierta si el diseño es viable y si éste va a funcionar o no. Permite corregir errores y plantear soluciones al diseño mismo. Resulta por lo tanto, muy útil aprovechar las herramientas disponibles para el modelamiento y simulación de elementos finitos, ya que da una aproximación muy cercana a las condiciones sobre las cuales el embrague funcionará y cómo se comportará éste bajo dichas condiciones.. •. MODELAMIENTO POR SOLID EDGE: El modelamiento por Solid Edge fue muy importante en la etapa de diseño, tomó una considerable cantidad de tiempo pero fue vital, ya que permitía tener una visión más precisa del diseño, permitía también plantear soluciones a los problemas y corregirlos. Fue la primera mirada concreta y real al diseño planteado y fue el punto de partida para considerar la viabilidad o no del proyecto mismo. El adecuado modelamiento por Solid Edge permitió que la fundición y mecanizado del embrague fueran exitosos gracias a los planos generados a partir del programa.. A continuación se presentan algunas de las imágenes obtenidas por Solid Edge para elementos del embrague seleccionados.. CARCAZA:. Figura 16. Modelamiento de la Carcaz a (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge). 36.

(44) IM-2006-II-17. DISCO CONDUCTOR:. Figura 17. Modelamiento del disco conduc tor (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge). PIEZAS DE BRONCE:. Figura 18. Modelamiento del j uego de mas as (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge). 37.

(45) IM-2006-II-17 DISCOS DE FRICCIÓN:. Figura 19. Modelamiento de los discos de fricción (Imágenes obtenidas a partir de Solid Edge). CONJUNTO DE ELEMENTOS:. 38.

(46) IM-2006-II-17. Figura 20. Modelamiento de todo el conjunto de elementos que c omponen al embrague (Imágenes obteni das a partir de Solid Edge). • MODELAMIENTO POR ANSYS A partir del modelamiento hecho en Solid Edge, la siguiente etapa requería utilizar otra valiosa herramienta del diseño, es Ansys. Mediante Ansys fue posible simular las condiciones reales sobre las cuales el embrague debería ser capaz de funcionar sin problema alguno. El programa permitía tener una aproximación valiosa a lo que se podía tener en la realidad.. 39.

(47) IM-2006-II-17 Es posible, para cada una de las piezas modeladas, observar y analizar la deformación, el factor de seguridad y los diferentes esfuerzos que se presentan para los elementos estudiados. Es posible observar la calidad del diseño, si éste va a resistir el régimen al que estará sometido y si su funcionamiento será el esperado. Permite también corregir posibles errores dentro del diseño antes de su construcción y plantear nuevas soluciones.. El análisis se realizó básicamente en dos estados. El en estado inicial a RPM bajas y a un torque muy bajo, donde apenas se perciben los esfuerzos, este análisis sólo se realiza en la carcaza, donde el esfuerzo y deformación eran mayores que en los otros elementos que no sentían mayores esfuerzos, dado que el embrague aún no se acoplaba. El segundo estado donde se realiza el análisis es un punto de gran importancia, ya que es donde el embrague se acopla y por lo tanto es importante conocer los esfuerzos, la deformación y el factor de seguridad en este punto en los elementos involucrados en el proceso.. Primer Estado:. τ = 1N.m; ω = 100 RPM. Figura 21. Imagen de la c arcaz a con las fuerz as aplicadas sobre sí. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). 40.

(48) IM-2006-II-17 Segundo Estado:. τ = 12 N.m; ω = 950 RPM. Figura 22. Imagen de la c arcaz a y disc o conductor c on l as fuerzas aplicadas en el segundo estado. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). A continuación se tienen las propiedades de los elementos usados en la simulación, aleación de aluminio y hierro gris de fundición.. SIMULACIONES REALIZADAS: Esfuerzos Equivalentes – Von Misses [Pa]: -. Primer estado:. Figura 23. Si mulaci ón de Esfuerzos de Von Misses sobre la carcaz a. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). 41.

(49) IM-2006-II-17 -. Segundo estado:. Figura 24. Si mulaci ón de esfuerzos de Von Misses s obre l a carcaz a, disco c onductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). Análisis: Como se puede observar a lo largo de los elementos y de los estados, a pesar de que los esfuerzos son altos, en ningún momento llegan a superar. 42.

(50) IM-2006-II-17 a superar la resistencia del material. En el caso de la carcaza, como se esperaba, en el segundo estado, los esfuerzos de Von Misses son mayores que en el primer estado. Se puede observar que donde los esfuerzos son mayores es donde existe algún contacto entre los elementos cuando están ensamblados o donde las superficies son más rectas. Esfuerzo Cortante [Pa]: -. Primer estado:. Figura 25. Si mulaci ón de esfuerzos c ortantes sobr e la c arcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). -. Segundo estado:. 43.

(51) IM-2006-II-17. Figura 26. Si mulaci ón de esfuerzos c ortantes sobr e carcaz a, disco c onductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). Análisis: En el caso del esfuerzo cortante, de nuevo no se llega a encontrar en ningún elemento ni en ningún estado que supere los valores permitidos para el material de los elementos. De la misma forma, se encuentran los esfuerzos más altos en las regiones donde existe contacto entre los elementos y donde las superficies tienen ángulos rectos.. 44.

(52) IM-2006-II-17 Factor de seguridad: -. Primer estado:. Figura 27. Si mulaci ón del factor de seguridad sobre la carcaz a. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). -. Segundo estado:. 45.

(53) IM-2006-II-17. Figura 28. Si mulaci ón del factor de seguridad de la carcaz a, disc o conductor y masa. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). Análisis: En cuanto al factor de seguridad, se puede ver claramente que en términos generales, los elementos permanecen dentro de una franja segura, con una pequeña excepción con las masas, donde el factor de seguridad disminuye un tanto en el área de contacto con el disco, sin embargo esto es permisible ya que esto sólo sucede por un espacio de tiempo muy corto. De nuevo se ve que el factor de seguridad para la carcaza aumenta ligeramente entre el primer y segundo estado.. 46.

(54) IM-2006-II-17 Deformación total [mm]: -. Primer estado:. Figura 29. Simul ación de la deformación total sobre la c arcaza. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). -. Segundo estado:. 47.

(55) IM-2006-II-17. Figura 30. Si mulaci ón de l a deformaci ón total sobr e la c arcaza, disco conduc tor y mas a. (Imágenes obtenidas a partir de Ans ys). Análisis: Como se puede observar, la deformación para cada caso y elemento está dentro de los valores permisibles, como es de esperar, se encuentra la mayor deformación en la parte exterior de los elementos y donde existe algún contacto entre los elementos.. 48.

(56) IM-2006-II-17 MODELAMIENTO POR ANSYS (VIDEOS) El uso de Ansys mediante la animación permitió observar el funcionamiento de cada uno de los elementos en un periodo de tiempo deseado, en este caso se hizo en el intervalo que demora el embrague en acoplarse. Con esta herramienta es posible observar en el momento exacto y en el lugar preciso donde y con que intensidad se presentan los esfuerzos y la deformación del elemento.. Figura 31. Imágenes de l os videos utilizados para si mular el funcionami ento del embr ague. (Imágenes obteni das a partir de Ans ys). 49.

(57) IM-2006-II-17. PROCESO DE F ABRICACIÓN El proceso de fabricación representó un gran desafío dada la compleja geometría de la de la pieza. Fue necesario considerar diversas opciones para su fabricación, algunas se descartaron por su alto precio o porque la calidad de la misma podía no ser la adecuada, así mismo el tiempo ofrecido para la realización podía ir en contravía con el plazo establecido en el proyecto. Finalmente se eligió la opción mas adecuada en relación de costo, calidad y tiempo de entrega. El proceso de fabricación tuvo dos etapas: •. Fundición. •. Mecanizado. Figura 32. Imagen del proc eso de mecanizado – laboratorio U. Andes (Archi vo Particular). Figura 33. Fotografía del lugar de fundición, mol des y proces o (Archi vo Particular). 50.

(58) IM-2006-II-17. PROCESO DE FUNDICIÓN El proceso de fundición se llevó a cabo en un taller de fundición comercial, donde según los planos de diseño se fundieron las piezas. Se requirió bastante precisión en la fundición de las piezas, ya que algún error podría significar un desajuste en las piezas dentro del embrague y por lo tanto un funcionamiento inadecuado del embrague. • CARCAZA: La carcaza es una pieza de gran importancia, contiene a todos los elementos del embrague y debe ser bastante ligera y resistente para soportar el régimen de funcionamiento del embrague. Así mismo, la fundición debió realizarse con mucho cuidado y precisión.. Figura 34. Vista de la carcaz a luego del proc eso de fundición. (Archi vo particul ar). Material: se utilizó Aluminio con alto porcentaje de Silicio, con lo cual se obtiene alta dureza en la carcaza. Molde: es hecho de arena a base de CO2, lo cual le da más nitidez al molde y por ende mejor acabado a la pieza.. Proceso: el proceso de fundición de la carcaza fue el siguiente: -. Se fabrica el molde de arena, sobre el cual se hará la carcaza. 51.

(59) IM-2006-II-17. Figura 35. Vista del molde de arena de la c arcaza. (Archi vo particul ar). -. Se realizó un vaciado en molde abierto en una camisa de pistón, tal como se observa en la siguiente imagen, se realizó a una temperatura de 750 ºC.. Figura 36. Vista del molde de arena en s u camisa de pistón para l a fundición de l a carcaz a. (Archi vo Particular). -. A continuación se realiza el proceso de cuajado del material con presión para llenar las cavidades dentro del molde. Con esto se mejora la calidad de la pieza y se evita que el Aluminio presente poros.. -. Se retira pieza del molde, se esperan 5 minutos y se realiza el enfriamiento por agua.. 52.

(60) IM-2006-II-17 Finalmente la carcaza está lista y su acabado superficial es el adecuado, el material no presenta poros y está lista para la siguiente etapa de mecanizado.. Figura 37. Vista de la carcaz a luego de la fundición. (Archi vo Particular). • DISCO CONDUCTOR: El disco conductor es una pieza primordial en todo el funcionamiento general del embrague, es el encargado de soportar a los discos de fricción y a las piezas móviles. Debe ser muy resistente y su construcción muy precisa ya que el acople entre esta pieza y la carcaza debe ser muy preciso.. El personal encargado de la fundición se basó en los planos de diseño y su fundición fue algo más compleja que la de la carcaza. Material: para su fundición se utilizó hierro gris. Molde: primero se realiza el modelo en madera a partir de los planos de diseño y luego a partir de éste se realiza el molde en arena de CO2, el cual se degrada durante el proceso de fundición.. 53.

(61) IM-2006-II-17. Figura 38. Vista del modelo en madera del disco conduc tor. (Archi vo particular). Proceso: luego de tener el modelo listo, el proceso de fabricación es el siguiente: -. Se vacía el material a una temperatura de 1500 ºC en el molde.. -. Luego de tener el material en el molde el enfriamiento se realiza a la intemperie en su totalidad ya que si se hace con agua se templa el material y no podría mecanizar.. Una vez concluido el proceso de fundición se tiene un elemento apto para el mecanizado y que no requiere tratamientos térmicos posteriores, ya que si se realiza un tratamiento térmico para endurecer el material, puede resultar muy frágil y quebrarse con el funcionamiento. del embrague.. Figura 39. Imágenes del mol de del disco c onductor así c omo s u ac abado posterior. (Archi vo particular). 54.