Modelo de desgaste en forros de embragues utilizando una combinacin de ensayos normales y de desgaste acelerado

Rodolfo Mora(1), Jaime Angulo, Jos Luis Lpez, Emilio Bautista.

(1)Universidad Politcnica de Madrid. Escuela Tcnica Superior de Ingenieros

industriales. Divisin de Ingeniera de mquinas. Calle Jos Abascal, N 2. 28006. Madrid. Tlf. 913364217. rodolfo_es@hotmail.com.

El estudio de el proceso de deterioro de un mecanismo se puede desarrollar a partir de diferentes metodologas que dependen del tipo de mecanismo analizado, los instrumentos utilizados en la investigacin y el enfoque que se le desee dar a la misma. El primero de ellos define los mecanismos de fallo presentes y esto depende principalmente de la complejidad de dicho mecanismo, los instrumentos y equipos de apoyo limitan el alcance del trabajo de investigacin y las conclusiones que del mismo se desprendan mientras que, finalmente, el ltimo punto esta enmarcado dentro de los objetivos estratgicos del trabajo investigativo. Aqu se plantea el desarrollo del modelo de desgaste originado de un contacto plano entre una superficie metlica (el volante de inercia de un motor de un coche) y otra no metlica (los forros de embrague hechos de una combinacin de amianto, fibras de cobre y otros componentes polimricos) aplicando tcnicas de ensayo aplicadas en estudios de fiabilidad [2, 3], para conocer la influencia de algunos factores especficos de esfuerzo como pueden ser la temperatura, la carga y los ciclos de embragado y utilizando un banco de ensayos especial para embragues. Palabras clave: desgaste, fiabilidad, embrague.

1. Introduccin.

Para cuantificar adecuadamente las posibilidades de fallo en productos

industriales es necesario utilizar tratamientos matemticos basados en la teora de la

fiabilidad. Pero los parmetros bsicos de las ecuaciones utilizadas deben ser obtenidos

de forma experimental, a travs de ensayos que reproduzcan los fallos de forma cercana

a las condiciones reales de funcionamiento. Frecuentemente esta experimentacin

previa debe realizarse con procedimientos de vida acelerada. Optimizar la fiabilidad del

producto, en particular durante el perodo de garanta, es por tanto un objetivo

fundamental para el suministrador, y en ese marco se centra esta tesis.

El objetivo general de la tesis es establecer el proceso sistemtico para el

modelizado de la prdida de espesor de un mecanismo de transmisin.

Ese proceso se aplicar a un embrague como mecanismo de transmisin

concreto, donde el elemento crtico a efectos de fallo es el forro, en que se produce un

deterioro progresivo ligado al desgaste por contacto deslizante no lubricado.

Para establecer el modelo se seleccionarn las causas fundamentales del fallo

con el objeto de que la formulacin del modelo sea compacto y sencillo a efectos de su

utilizacin prctica para la previsin de los fallos del mecanismo analizado.

2. Planteamiento del modelo.

La definicin del modelo de desgaste en forros de embrague a presin puede

partir de modelos previamente desarrollados, muchos de los cuales han sido ideados

principalmente para el anlisis de superficies metlicas y que se sustentan, adems, en

ensayos tipo generales donde una pieza esfrica desliza sobre un plano, a partir de

un desarrollo experimental a travs de un banco de ensayos de embragues siendo

sometido el mismo a condiciones similares a las de trabajo real (ensayo normal) o con

factores de degradacin potenciados en el caso del ensayo de vida acelerada (figura 1).

Figura 1. Producto bajo esfuerzos interactuantes.

En trminos generales podemos decir que, salvo casos muy puntuales de mal uso

del vehculo que originan fallos de tipo catastrfico, los forros de embrague fallan

cuando su espesor alcanza un valor crtico y existe, adems, un paralelismo entre el

aumento de la probabilidad de fallo del embrague en el tiempo y su prdida de espesor

en los forros.

A partir de esto se puede decir que el desgaste puede analizarse con las mismas

herramientas estadsticas y matemticas que las utilizadas en el caso de fiabilidad y

utilizando el mismo tipo de ensayos, solo que adaptados al anlisis de la prdida de

espesor en un componente y evaluando la medida en que dicha prdida afecta al buen

funcionamiento de dicho componente.

El modelo matemtico de desgaste normal y acelerado para forros de embrague

depender del material, el mtodo de ensayo aplicado (ensayos en banco), la intensidad

de carga y la de los otros factores considerados: temperatura, velocidad, etc. Este

modelo consiste en una funcin que describe la medida en que el espesor varia en el

tiempo, as como la relacin entre esta variacin y los factores de esfuerzo

considerados. Es posible plantear un modelo en funcin de la temperatura, la cual

influye sobre las propiedades de los materiales, a la vez que algunas propiedades (como

la conductividad trmica del material) afectan a la temperatura, y ver como vara para

diferentes modelos de embrague estudiados. De esta forma y en consideracin en lo

aqu expuesto, se tiene:

),,(),,( ETCFETC = (1)

en donde es el desgaste, C son los ciclos de embragado, E es la energa a disipar por

el sistema y T es la temperatura durante la realizacin del ensayo en los forros de

embrague.

2.1. Definicin del modelo de desgaste en funcin de los ciclos de embragado.

La obtencin de un modelo en trminos del nmero de accionamientos del

embrague debe partir de un anlisis del comportamiento del desgaste bajo condiciones

de esfuerzos que respondan a valores normales de funcionamiento. Adems es

conveniente que los parmetros de funcionamiento (temperatura, carga, velocidad antes

y despus del ciclo, etc.) sean constantes de forma que puedan obtenerse conclusiones

fiables de cmo afectan todos ellos juntos al desgaste y el ensayo debe ser dilatado para

que se pueda observar como vara este comportamiento en el tiempo (en este caso a lo

largo de los ciclos desarrollados).

Esta funcin se determina realizando ensayos de tipo normal en donde la

muestra se somete a condiciones reales de uso (valores en los factores de esfuerzo

dentro del rango de condiciones de funcionamiento normal) durante un nmero de

ciclos lo suficientemente largo como para que los resultados obtenidos sean vlidos.

Bajo estos condicionamientos se plantea definir la ecuacin que relaciona al desgaste

con los ciclos de embragado y que puede definirse como:

)()( CFC = (2)

donde:

= desgaste adimensional (mm/mm).

C = es el nmero de accionamientos del embrague.

2.2. Obtencin de la funcin de desgaste para diferentes factores de esfuerzo.

La definicin del modelo de desgaste en funcin de otros parmetros diferentes a

los ciclos de embragado debe definirse inicialmente en trminos de su tasa de cambio.

Tales como carga, temperatura, energa, etc., las variacin en estos factores actan

como elementos envejecedores que afectan a la variacin del desgaste en el tiempo, es

decir, en su tasa de cambio. La expresin (3) describe esta relacin de la siguiente

forma:

),()(),( ETFC

CET =

= (3)

en donde:

es la tasa de desgaste en cada ciclo de embragado.

T es la temperatura en C.

E es la energa disipada en Kj.

3. descripcin del equipo.

El banco de ensayo de embragues es una de las mquinas ms importantes y ms verstiles con las que cuenta la seccin de ensayos en la actualidad. Existen razones contundentes que justifican la adquisicin de un banco de ensayo de estas caractersticas: Mediante la utilizacin de un banco de ensayo de embragues pueden simularse las

condiciones del embrague de la manera ms ajustada posible a las situaciones y condiciones reales con las que se pueden encontrar en un vehculo.

La tecnologa avanzada con la que cuenta un banco de ensayo de embragues permite recabar informacin in situ de multitud de parmetros extremadamente importantes para la concepcin y diseo de embragues. Se pueden obtener datos de temperatura de componentes, par transmitido, velocidad de rotacin, etc.

Se trata de una herramienta polivalente, concebida para aceptar varias condiciones de uso en funcin de la situacin que queramos verificar. Por sus caractersticas admite varios tipos de montajes diferentes.

Todas estas ventajas hacen de los bancos de ensayos de embragues (figura 2) un elemento imprescindible en la validacin de nuevos proyectos, y justifican el elevado coste que suponen la adquisicin y mantenimiento de mquinas de este tipo.

Figura 2. Vista general del banco de ensayos.

4. Resultados.

En la etapa de definicin del modelo de desgaste en funcin de los ciclos de

embragado se desarrollaron diferentes ensayos en los cuales se pusieron a prueba

diferentes modelos de embrague de friccin, obtenindose curvas de desgaste y un

modelo particular para cada uno de ellos, la expresin matemtica dada por la ecuacin

(4), indica uno de los resultados obtenidos, la figura 3 muestra la representacin de esta

curva grficamente y permite compararla con los datos de desgaste reales que la

definieron.

(c) = 1.97 * 10

-3 * C 0.446 (4)

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0 20000 40000 60000 80000

Ciclos de embragado

Des

gas

te (

mm

/mm

)

c. Real Modelo

Figura 3. Curva de desgaste segn modelo y real.

Finalmente el modelo integral que integra todos los factores considerados y los

ensayos normales y de desgaste acelerado han definido el modelo matemtico dado por

la expresin (5), en ella se ha considerado la influencia de la temperatura y la carga en

el desgaste de los forros de embrague, integrando posteriormente estos datos con el

definido por la expresin (4).

815.0399.0101.05),,( **10*794.1 CTETEC

= (5)

5. Conclusiones.

Brevemente pueden citarse las siguientes conclusiones en relacin a los

resultados y la metodologa aplicados en este trabajo:

- Existen mecanismos como el embrague que teniendo diferentes componentes su fallo

suele estar originado por uno de los elementos: el forro de embrague, y el principal

mecanismo de fallo que sobre el acta: el desgaste. En este sentido el enfocar la

fiabilidad en trminos de desgaste no es frecuente y en este trabajo se hace nfasis en

esta relacin.

-Los modelos obtenidos para cada diseo de embrague tienen valores en parmetros

diferentes, al calcular la media y La desviacin estndar de la comparacin de los

resultados se puede observar que aunque la diferencia es real por pertenecer a modelos

de embrague diferentes con propiedades distintas, s muestra una tendencia real de la

influencia de los diferentes parmetros en la tasa de desgaste de los forros de embrague.

- El principal aporte de este trabajo es la metodologa aplicada en la definicin del

modelo de desgaste y su posterior adaptacin en funcin de los kilmetros recorridos

por el coche, en este sentido se han intentado utilizar herramientas aportadas por la

empresa fabricante de embragues que permitan la realizacin de ensayos muy prximos

a sus condiciones reales de funcionamiento y al unir esto con las pruebas de campo, se

consigue definir un modelo prctico y sencillo de utilizar.

5. Referencias. 1. Angulo Cevallos, Jaime. Modelo estocstico para la determinacin del tiempo de garanta optimo en equipos mecnicos, Tesis Doctoral, ETSII U.P.M. Madrid. (1999). 2. Wang, K. S., Chen, C. S., Huang, J. J. Dynamic reliability behavior for sliding wear of carburized steel . Reliability engineering & system safety, vol. 58 (1997), pag. 31-41. 3. Holmberg, Kenneth. Reliability aspects of tribology. Tribology International, vol 34 (2001), pag. 801-808.