DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLOGICO FUNCIONAL …

INSTITUTO POLITÉCNICO NACIONAL

ESCUELA SUPERIOR DE INGENIERÍA MECÁNICA Y ELÉCTRICA

SECCIÓN DE ESTUDIOS DE POSGRADO E INVESTIGACIÓN

DESARROLLO DE UN PROTOTIPO TRIBOLOGICO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR

FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA

T E S I S QUE PARA OBTENER EL GRADO DE:

MAESTRO EN CIENCIAS CON ESPECIALIDAD

EN INGENIERÍA MECÁNICA

P R E S E N T A:

ING. MANUEL ALEJANDRO HERRERA GURRUTIA

DIRECTOR DR. MANUEL VITE TORRES

ii

DEDICATORIAS

A mi Madre Sra. Carmen Gurrutia Canales

Con todo mi amor y respeto a ella dedico este trabajo y cada uno de los momentos que viví

desde su concepción; por todas sus enseñanzas, apoyo y gran espíritu de lucha. Eres mi

ejemplo para la vida.

A mis Hermanos Carmen

Ignacio

Por el gran apoyo incondicional que de ellos recibí.

A mis Tíos Esther

Graciela

Braulio

Joaquín (q.e.p.d.)

Por su invaluable apoyo humano y material; y por permitirme compartir juntos momentos

de distracción y alegría.

A mis Primos Graciela

Lorena

Braulio

Por creer en mi y el apoyo moral que de ellos recibí.

A mi Novia Beatriz Zumarraga González

Mi eterna gratitud por sus palabras de aliento y el gran apoyo que me brindo, así como por

su constante preocupación durante la realización de mis estudios de Posgrado. Te amo.

iii

AGRADECIMIENTOS

A la Sección de Estudios de Posgrado e Investigación del ESIME- IPN, por la formación

profesional que me brindo.

Al Consejo Nacional de Ciencia y Tecnología (CONACYT), por el apoyo brindado.

A mi Director de Tesis

Dr. Manuel Vite Torres

Por haber creído en mi y en la trascendencia de este trabajo, por su calidad humana, ética y

moral, por el invaluable apoyo que de el recibí.

Al Dr. Ricardo Dommarco

Por el apoyo y conocimientos brindados para la realización de este trabajo, por su

hospitalidad y sencillez, muchas gracias.

A todos mis maestros de la Sección de Graduados, por haber colaborado en mi formación

profesional. Por su amistad y confianza.

A mis compañeros de Posgrado. Gracias por su amistad y apoyo.

Gracias

iv

ÍNDICE IV

RESUMEN VIII

ABSTRACT IX

INTRODUCCIÓN XI

ANTECEDENTES XV

OBJETIVOS XVI

JUSTIFICACIÓN XVII

ÍNDICE DE FIGURAS XVIII

ÍNDICE DE TABLAS XXI

SIMBOLOGÍA XXII

GLOSARIO XXVI

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA.

1.1 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA

1.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TRIBOLOGÍA.

1.3 APLICACIÓN DE LA TRIBOLOGÍA

1.4 LA TRIBOLOGÍA EN LA INDUSTRIA

1.4.1. RODAMIENTOS EN LA INDUSTRIA

1.5 EL DISEÑADOR DE EQUIPO TRIBOLÓGICO

1.5.1 EL USUARIO DEL EQUIPO

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CAPÍTULO II

2. FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE.

2.1 CONTACTO MECÁNICO

2.1.1 TENSIONES DE CONTACTO DE HERTZ

2.1.2 SUPERFICIES DE CONTACTO

2.1.2.1 SUPERFICIES CONFÓRMALES

2.1.2.2 SUPERFICIES NO CONFÓRMALES

2.1.3 TIPOS DE CONTACTO

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2.1.3.1 CONTACTO IDEAL

2.1.3.2 CONTACTO NO IDEAL

2.2 FRICCIÓN

2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE FRICCIÓN

2.2.1.1 FRICCIÓN ABRASIVA

2.3 DESGASTE

2.3.1 MECANISMOS DE DESGASTE

2.3.2 DESGASTE POR FATIGA

2.3.2.1 DESGASTE POR FATIGA DE LOS RODAMIENTOS

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CAPÍTULO III

3. LUBRICACIÓN.

3.1 LUBRICACIÓN

3.1.1 LUBRICANTES

3.1.2 LUBRICANTES LÍQUIDOS

3.1.3 LUBRICANTES SÓLIDOS

3.1.4 ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Y ANIMAL.

3.1.5 GRASAS

3.1.6 LUBRICACIÓN DE EQUIPO ESPECÍFICO

3.2 REGÍMENES DE LUBRICACIÓN

3.2.1 LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA

3.2.2 LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA

3.2.3 LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA

3.2.3.1 EFECTOS QUE CONTRIBUYEN A LA GENERACIÓN DE PELÍCULAS -

ELASTOHIDRODINÁMICA

3.2.3.2 ESPESOR DE LA PELÍCULA ELASTOHIDRODINÁMICA

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CAPÍTULO IV

4. DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE

ENSAYO. 4.1 MECANISMOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA.

4.1.1 MODOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR RODADURA

4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA FCR

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4.2.1 RUGOSIDAD.

4.2.2 ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

4.2.3 RESISTENCIA EN LA SUPERFICIE.

4.3 PREDICCIÓN DE LA VIDA Y EL MODO DE FALLA EN FCR

4.4 FALLA EN ELEMENTOS SOMETIDOS A FCR

4.5 DEFERENTES MÉTODOS DE ENSAYO DE FCR

4.6 MÁQUINAS DE ENSAYOS.

4.6.1 MÁQUINA DE ENSAYO DE CINCO-BOLAS DESARROLLADA EN LA

NASA

4.6.2 ENSAYOS EN UN PLANO SUMERGIDOS EN UN BAÑO DE ACEITE

4.6.3 APARATO PARA ENSAYOS DE MATERIALES NO METÁLICOS

4.6.4 MÁQUINA DE ENSAYOS PARA RODADURA DE CONTACTO

4.6.5 APARATO DE TRES BOLAS RODANDO DESARROLLADO POR

FEDERAL-MOGUL

4.6.6 APARATO DE ENSAYOS DE CILINDRO Y ESFERA

4.6.7 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CILINDRO-A-CILINDRO

4.6.8 MÁQUINA DE ENSAYOS DE ANILLO CONTRA ANILLO

4.6.9 APARATO DE ENSAYO DE RODAMIENTOS MÚLTIPLE

4.6.10 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CUATRO-BOLAS RODANDO

4.6.11 MÁQUINA DE ENSAYOS DE BOLAS EN DISCO INCLINADO

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CAPÍTULO V

5. DISEÑO DEL PROTOTIPO PARA EVALUAR FATIGA POR CONTACTO DE

RODADURA.

5.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO QFD

5.1.2 IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE

5.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DEL

CLIENTE.

5.1.4 PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE.

5.1.5 ESTUDIO COMPARATIVO CON LOS PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA.

5.1.6 TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE EN TÉRMINOS

MENSURABLES DE INGENIERÍA.

5.1.6.1 TRADUCCIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE SE DERIVAN DE AQUELLOS

QUE NO SON DIRECTAMENTE MENSURABLES.

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5.1.7 ESTABLECER LAS METAS DE DISEÑO.

5.2 DISEÑO CONCEPTUAL

5.2.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO CONCEPTUAL.

5.3 DESARROLLO DE LA MÁQUINA.

5.3.1 REDISEÑO DE LA MÁQUINA ADQUIRIDA

5.3.2 LUBRICACIÓN DEL SISTEMA

5.3.2.1 LUBRICACIÓN POR BAÑO DE ACEITE O POR INMERSIÓN

5.3.2.2 SELECCIÓN DEL ACEITE

5.3.3 MECANISMOS AUXILIARES

5.4 TABLERO DE MANIOBRA Y CONTROL

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CAPÍTULO VI

6. PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES.

6.1 PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO

6.1.1 DESCRIPCIÓN DE SUS COMPONENTES

6.2 PRUEBAS PREELIMINARES

6.2.1 CÁLCULO DE NÚMERO DE CICLOS DE CARGA

6.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

6.2.2.1 CONTROLES PREVIOS AL ENSAYO

6.2.2.2 PROCEDIMIENTO

6.2.2.3 LLENADO DE LA HOJA DE REGISTROS

6.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS.

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CONCLUSIONES 157

RECOMENDACIONES 158

TRABAJOS FUTUROS 159

REFERENCIAS 160

ANEXOS 164

viii

RESUMEN En el presente trabajo, se presenta el diseño, la fabricación y la validación

experimental de un prototipo funcional para evaluar la resistencia a la fatiga

por contacto de rodadura, el cual funciona a una velocidad aproximada de

1500 R.P.M. y con una máxima carga de 250 N.

Este prototipo fue desarrollado dentro de la línea de Investigación de

Tribología en Ingeniería Mecánica de la Sección de Estudios de Graduados e

Investigación de la ESIME-Zacatenco- IPN, con la finalidad de autoequipar

un laboratorio en esta área de investigación.

La metodología utilizada para el diseño fue la conocida como Extracción de

Tecnología junto con la de Despliegue de Funciones de Calidad (QFD), la

cual consiste en la identificación del cliente, determinar los requerimientos y

expectativas del cliente, así como la importancia relativa de los mismos,

traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de

ingeniería y establecer metas de diseño.

La fabricación del equipo se realizo de la siguiente manera: a partir de la

generación de conceptos, se eligió la configuración optima para el prototipo

tribológico, y así realizar los dibujos de detalle y de conjunto para la

manufactura, considerando los materiales óptimos para cada pieza, tolerancias

geométricas y la utilización de maquinas universales para su construcción.

Para las pruebas experimentales se utilizo un sistema de sensor de vibraciones,

desarrollado en la ESIME- Zacatenco- IPN. Las probetas utilizadas fueron de

ix

60 mm de diámetro, con un espesor de 15 mm y rosca en el centro de W 5/8”,

fabricadas de acero AISI 4140 y AISI 1045 templadas.

Las ventajas y desventajas de este prototipo con respecto a uno comercial son

las siguientes:

Entre las ventajas podemos señalar el bajo costo de fabricación, de

aproximadamente $8000 pesos y tanto su manufactura como refacciones,

están estandarizadas y disponibles en el mercado mexicano.

Entre sus desventajas, esta él limite de velocidad de la maquina que es de

3200 R.P.M., así como, solo permite analizar rodamientos de tipo axial.

ABSTRACT

In the present work is presented the design, the production and the

experimental validation of a functional prototype to evaluate the resistance to

the fatigue for rolling contact (FCR), which works to high speed,

approximately 1500 r.p.m. and with a maxim load up to 250N.

this prototype was developed inside the line of Investigation of Tribology in

Mechanical Engineering of the section of Studies of Graduate and

Investigation of the ESIME-ZAC - IPN, with the purpose of self equipment a

laboratory in this investigation area.

The methodology used for the design was the acquaintance as Extraction of

Technology together with Unfolding of Functions of Quality (QFD), which

x

consists on the client identification, to determine the requirements and the

client's expectations, as well as the relative importance of the same ones, to

translate the requirements and expectations in measurable terms of

engineering and to establish design goals.

The production of the prototype carries out in the following way: starting

from the generation of concepts, the good configuration was chosen for the

tribologic prototype , and this way to carry out the detail and group drawings

for the manufacture, considering the good materials for each piece, geometric

tolerances and the use of you universal machines for its construction.

For the experimental tests, it uses a system of sensor of vibrations, developed

in the ESIME - Zacatenco - IPN. The used test tubes were of 60 mm of

diameter, with a thickness of 15 mm and it threads in the center of W 5/8",

manufactured of steel AISI 4140 and temperate AISI 1045.

The advantages and disadvantages of this prototype with regard to one

commercial they are the following ones:

Among the advantages we can point out the low cost of production, of

approximately $8000 pesos and as much their manufacture as refections, they

are standardized and available in the Mexican market.

Among their disadvantages, the limits of speed of it schemes it that it is of

3200 R.P.M., as well as, alone it allows to analyze bearings of axial type..

xi

INTRODUCCIÓN

En el presente trabajo, se desarrolló un equipo para evaluar la resistencia a la

Fatiga por Contacto de Rodadura (FCR), que presenta una elevada velocidad

de ensayo, facilidad de montaje, bajo costo de ensayo, confiabilidad en la

detección de la falla, consistencia en los resultados y facilidad de operación.

Numerosos elementos mecánicos, tales como: engranajes, levas, pistas de

rodamientos en ejes o alojamientos y guías, están sometidos a este tipo de

desgaste.

El desgaste por fatiga de contacto de rodadura (FCR) se presenta entre cuerpos

que tienen entre si un movimiento de rodadura con o sin deslizamiento. Esto

produce, sobre un punto cualquiera del camino de rodadura, la aplicación de

cargas variables en el tiempo que conducen a la nucleación y propagación por

fatiga de pequeñas fisuras.

En general la falla por fatiga de contacto de rodadura FCR, se presenta en

forma repentina y resulta muy dificil localizarla durante la etapa de nucleación

o crecimiento. Se manifiesta una vez que el proceso ha avanzado,

produciendo el desprendimiento de material y dejando microcavidades en la

superficie de rodadura conocidas como picaduras o astillamientos (pits o

spalls).

A su vez, el fenómeno de desgaste por FCR presenta aspectos pocos claros en

los mecanismos de falla involucrados. El avance tecnológico producido en las

ultimas décadas, tanto en la fabricación de aceros, como en la solicitación

xii

impuesta a los equipos mecánicos, modifico el modo de falla, pasando a de ser

preferentemente sub-superficial a preferentemente superficial. Por lo tanto, los

conocimientos adquiridos previamente en la prevención de la falla, ya no son

aplicables y resulta necesario un exhaustivo estudio del mecanismo de falla

actuante a fin de trabajar sobre sus causas.

Las autoridades en la materia no han llegado a un completo acuerdo en lo que

respecta al mecanismo exacto de esta falla. Sin embargo, todos convienen en

que los esfuerzos de contacto de Hertz, el número de ciclos de carga, el

acabado superficial, dureza, la lubricación y la temperatura, influyen

significativamente en la resistencia.

Cuando dos superficies presionan una contra otra, se desarrolla un esfuerzo

cortante máximo por debajo de la superficie de contacto. La mayoría de los

autores convienen en postular que este esfuerzo origina una falla por fatiga en

la superficie, para luego propagarse rápidamente a toda ella. Por la presión, el

lubricante entra después en la fisura que se ha formado y, finalmente llega a

desprender partículas flojas, actuando con efecto de cuña. La fisura, se

desarrolla en un punto de discontinuidad del material. Una vez que se inicia, el

efecto de concentración del esfuerzo se hace mayor, extendiéndose más

rápido. Como el área esforzada disminuye de tamaño, el esfuerzo aumenta en

magnitud, hasta que el área restante, finalmente falla de repente.

Con frecuencia se deben resolver problemas en los que dos elementos de

máquina trabajan en contacto entre sí por rodamiento, deslizamiento o una

combinación de contacto rodante y deslizante sujetos a cargas cíclicas,

xiii

produciéndose entre los mismos desgaste por FCR, la misma es causa

frecuente de falla en elementos tales como:

• dientes de engranaje

• contacto rueda/riel

• sistema leva/seguidor

En el primer capítulo, se presenta una recopilación del desarrollo de la

tribología, desde sus primeros inicios, hasta la época actual. Se menciona

también la importancia de esta ciencia en la industria y los efectos de ésta en

los rodamientos.

En el capítulo dos, se presenta un desglose de los fenómenos tribológicos de la

fricción y el desgaste, estudiando el comportamiento y la naturaleza de los

mismos.

En el capítulo tres, se explica detalladamente el concepto y comportamiento

de un lubricante, así como los diferentes tipos de lubricantes que existen en el

mercado, los regímenes de lubricación a los que pueden someterse, así como

las principales ecuaciones que establecen su comportamiento de fluidez y

análisis de películas lubricantes.

En el capítulo cuatro, se detalla el comportamiento y la naturaleza del

fenómeno de desgaste por fatiga por contacto de rodadura, así como los

diferentes equipos que existen para evaluar dicho fenómeno.

xiv

En el capitulo cinco, se explica la metodología de diseño empleada en el

desarrollo del prototipo. Para ello, se utilizó las técnicas de extracción de

tecnología y (QFD); éstas, abarcan desde el planteamiento del problema, el

diseño conceptual, el diseño de detalle hasta los dibujos de taller.

En el capitulo seis, se presenta el prototipo tribológico que se construyó para

medir FCR que se construyo, así como los resultados de las pruebas

preeliminares que se realizaron en probetas metálicas.

xv

ANTECEDENTES Hoy, cada día es más factible calcular el desgaste y los procesos para lograrlos

se tornan más económicos y fáciles, por lo que en la actualidad es una

exigencia para las máquinas y sus elementos, incrementar los métodos de

control y las medidas preventivas. El desgaste, su control y diagnóstico

forman parte de los sistemas de calidad.

Es tarea de los tribólogos garantizar la efectividad y fiabilidad del trabajo de

las máquinas, las cuales cada día tienen una mayor exigencia.

El nuevo equipo de ensayo de FCR desarrollado en el presente trabajo

permitirá realizar estudios relativos al modo de falla de dicho fenómeno,

especialmente enfocado hacia el modo superficial temprano.

Asimismo, el diseño apunta a la posibilidad de evaluar la resistencia a la FCR

de diferentes materiales con y sin tratamientos superficiales, y no de un

elemento de máquina en particular. De esta manera el nuevo equipo presenta,

para el uso planeado, importantes ventajas en lo que respecta a utilidad,

sencillez, facilidad de operación, análisis de muestra y la capacidad de

funcionar automáticamente y sin atención sobre una base de 24-h, 7 días a la

semana.

xvi

OBJETIVOS

• Diseñar y fabricar un prototipo tribológico para medir el desgaste por

fatiga por contacto de rodadura, que sea fácil de construir y a la vez

economico.

• Evaluar diferentes alternativas de diseño, así como seleccionar su

opción más apropiada; para construir, posteriormente un prototipo de

ensayo destinado a evaluar la resistencia al desgaste por el mecanismo

de Fatiga de Contacto por Rodadura.

• Seleccionar los materiales apropiados en función de sus propiedades

tribologicas para la construcción de la máquina.

• Definir y comparar los aspectos teóricos-experimentales que provocan

el desgaste por fatiga por contacto de rodadura.

• Fabricar el prototipo tribológico, utilizando procesos sencillos y

económicos.

• Calibrar el prototipo tribológico destinado a evaluar la resistencia a la

fatiga de contacto por rodadura.

xvii

JUSTIFICACIÓN El estudio de los fenómenos de fricción y desgaste pueden ser considerados

como un nuevo capítulo en el estudio de los cuerpos sólidos; estos fenómenos

son originados por el contacto de dichos cuerpos que se encuentran en

movimiento relativo, y sometidos a la acción de una carga, ocasionando la

ruptura de las capas superficiales de los mismos.

Los métodos mas comunes para mediciones de las propiedades ingenieriles de

materiales han sido establecidas por organizaciones industriales o

gubernamentales. Sin embargo, para la medición del desgaste por fatiga por

contacto de rodadura de materiales, no tiene normas establecidas. Por lo tanto,

debido a que no se cuenta con algunas que sirvan de referencia, es importante

reportar los datos obtenidos por este mecanismo tribológico, definir todos los

parámetros que intervienen en las pruebas, para que otros investigadores

puedan comparar en detalle los valores obtenidos de la experiencia de sus

ensayos. El propósito de este trabajo es diseñar y construir un prototipo para

medir la FCR económico e igual de efectivo que los equipos de medición

comerciales, que representan costos más elevados y tecnologías más

complejas.

xviii

ÍNDICE DE FIGURAS

Figura 1-1 Ciencias que apoyan a la tribología.

Figura 1-2 Tribosistema.

Figura 1-3 Equipos diseñados por Leonardo de Vinci, para medir la fuerza de

fricción.(Fuente: Leonardo de Vinci an Artrabas Book).

Figura 1.4. tribómetro.

Figura 1.5. La Tribología en la Industria.

Figura 1.6. Comportamiento Tribológico de un equipo.

Figura 2-1. Geometrías Confórmales y No Confórmales.

Figura 2-2.Geometría del contacto entre dos esferas de radios RA y RB, bajo un

esfuerzo P , generando un área de contacto circular de centro en o y radio a.

Figura 2-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan

el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de

contacto y la máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985).

Figura 2-4. Distribución de las tensiones normales σXX, σYY ,σZZ y la tensión

de corte pulsante unidireccional τZX, debajo del punto central del área de

contacto. La tensión τZX, presenta el máximo a la distancia a/2 por debajo de

centro del área de contacto. (Ref. Johnson, 1985).

Figura 2-5. Distribución de tensiones para los casos de: rodadura pura,

deslizamiento puro y la combinación rodadura+deslizamiento (Johnson,

1985).

Figura 2-6. Modelo de deformación en la fricción abrasiva.

Figura 2-7. Aspecto característico de la falla. DR, dirección de rodadura; CR,

camino de rodadura.

xix

Figura 3-1. La variación en resistencia friccional ( expresada como el

coeficiente de fricción µ ) con el WU /η (características del rodamiento) para

un rodamiento lubricado: la curva de Stribeck.

Figura 3-2. Esquema con los 4 parámetros principales que determinan la

operación de un rodamiento hidrostático, donde Ps, presión de suministro; Pr,

presión del hueco; h0, espesor de la película; b, diámetro del orificio del

rodamiento; l, espesor del rodamiento. [ASM Handbook, Vol. 18].

Figura 3-3. Rodamientos con geometrías conformes bajo condiciones de

lubricación hidrodinámica. a) Planos opuestos, b) Rodamiento sencillo de

muñón.

Figura 4-1. Acabado superficial utilizando diferentes procedimientos

mecánicos.

Figura 4-2. Tensiones residuales introducidas por el proceso de acabado

mecánico.

Figura 4-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan

el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de

contacto y la máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985).

Figura 4-4. Coeficiente de espesor de película lubricante y su relación con la

vida a la FCR La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la vida de

catálogo de los rodamientos de acuerdo al factor λ esperado. La curva ASME

es el promedio de las curvas de Skurka y Tallian (Ref. Rowe, 1981).

Figura 4-5. Distintos arreglos de máquinas para ensayos de FCR.

Figura 4-6. Esquema máquina de ensayo utilizada por la NASA.

xx

Figura 4-7. Esquema máquina de Ensayos de Contactos Rodantes

Figura 4-8. Esquema máquina de Ensayos de Tres Bolas Rodando

Desarrollado por Federal Mogul.

Figura 4-9. Esquema máquina de Ensayos de Cilindros y Bolas.

Figura 4-10. Esquema máquina de Ensayos de Cilindro a Cilindro.

Figura 4-11. Esquema máquina de Ensayos de Anillo contra Anillo.

Figura 4-12. Esquema máquina de ensayo de cuatro bolas rodando.

Figura 4-13. Esquema máquina de Ensayos de Bolas en Disco Inclinado.

Figura 5-1. Metodología del diseño conceptual.

Figura 5-2. Esquema del entorno y los limites del sistema

Figura 5-3. Diagrama de funciones para producir el desgaste por fatiga de

contacto de rodadura.

Figura 5-4 (a),(b),(c),(d),(e),(f),(g). Funciones complementarias.

Figura 5-5. Probeta utilizada para los ensayos

Figura 5-6. Fotografía de un defecto artificial HRC (DA HRC) observándose

la forma de casquete esférico.

Figura 5-7. Fotografía de un equipo FCR.

Figura 6.1 Dibujo de concepto de máquina de FCR

Figura 6-2. Componentes de la máquina de FCR.

Figura 6-3. Conjunto Probeta- Rodamiento.

Figura 6-4. Tablero de control.

Figura 6-5. Equipo esquemático para el calculo de la velocidad de rotación.

Figura 6-6. Esquema parcial de la máquina de ensayo.

Figura 6-7. Representación del rodamiento y la probeta en contacto.

Figura 6-8. Probetas antes y después de cada ensayo de FCR.

xxi

ÍNDICE DE TABLAS

Tabla 3-1. Clasificación de viscosidades de aceites industriales ISO 3448-

1975 (E).

Tabla 5-1. Ponderación de los requerimientos deseables del cliente.

Tabla 5-2. Traducción de los requerimientos del cliente en términos

mensurables.

Tabla 5-4. Generación de conceptos.

Tabla 5-5. Evaluación por factibilidad de conceptos.

Tabla 5-6. Evaluación por Disponibilidad Tecnológica

Tabla 5-7. Resultados de la evaluación de conceptos.

Tabla 5-8. Cantidad de bolas vs. Tensión Hertziana máxima

Tabla 5-9. Valores típicos de análisis

Tabla 6-1. Características de los aceros usados en las pruebas.

Tabla 6-2. Resultados de las pruebas.

xxii

SIMBOLOGÍA

RA,B = radio de esferas

µ = coeficiente de fricción

op = máxima tensión hertziana

zxτ = tensión de corte unidireccional

altτ = tensión de corte ortogonal alternativa

P = carga aplicada

kk = limite elástico cinemático del material

yxz ,,σ = tensión normal

F = fuerza aplicada

W = carga normal

τ = esfuerzo tangencial de cada unión

θ = pendiente de la aspereza.

H = dureza de indentación.

P = componente del rayado.

τo = resistencia cortante superficial de la unión molecular, cuando la

presión normal es cero.

Pr = presión de contacto, en una superficie en movimiento.

αh = coeficiente de histéresis de pérdida de fricción.

β = coeficiente de la unión molecular reforzada.

ht = altura de la aspereza.

r = radio de la aspereza.

xxiii

K´ = Parámetro de la fricción.

h = espesor de la capa desgastada

L = camino de la fricción

Aa = área nominal (aparente) de contacto.

V = volumen de desgaste

Ar = área real de contacto

CR = camino de rodadura

DR = dirección de rodadura

CSt = centiStokes

°C = grados Centígrados

°F = grados Fahrenheit

Ps = presión de suministro

Pr = presión del hueco

h0 = espesor de la película

b = diámetro del orificio del rodamiento

l = espesor del rodamiento.

h = perfil de película.

hf = es constante [m].

he = es la deformación elástica combinada de los sólidos [m].

hg = es la separación debido a la geometría de los sólidos no

deformados [m].

ηp = es la viscosidad del lubricante a una presión ' p ' y a una

temperatura ' θ ' [Pa].

xxiv

η0 = es la viscosidad a la presión atmosférica y a una temperatura ' θ '

[Pa].

α = es el coeficiente de presión-viscosidad [m2/N].

Pa = pascal (kg/cm2)

HRC = dureza Rockwell

RPM = revoluciones por minuto

Hmin = espesor de película mínimo adimensional

hmin = espesor mínimo de película, [m]

rax, rbx = radio de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de

contacto en el plano y=0, [m]

U = parámetro de velocidad adimensional

η0 = viscosidad atmosférica, [Ns/m2]

u = velocidad superficial en la dirección x, [m/s]

ua = velocidad superficial del cuerpo a en la dirección x, [m/s]

ub = velocidad superficial del cuerpo b en la dirección x, [m/s]

E' = módulo elástico efectivo, [N/m2]

E = módulo elástico, [N/m2]

V = coeficiente de Poisson

G = parámetro de materiales adimensional

Α = coeficiente presión-viscosidad, [m2/N]

K = parámetro de elipticidad

Ra = rugosidad

λ = coeficiente de espesor de película lubricante.

1σ = rugosidad de la muestra.

2σ = rugosidad de la bola

xxv

η = viscosidad dinámica

ν = viscosidad cinemática

ρ = densidad

xxvi

GLOSARIO

Tribología. Ciencia y tecnología que estudia los sólidos que se

encuentran en contacto y movimiento relativo, así como los fenómenos

de la fricción, el desgaste, y la lubricación.

Tribosistema. Características y condiciones en que se llevan a cabo las

interacciones de las superficies de los pares mecánicos.

Contacto de Hertz. Cuando dos cuerpos que tienen superficies curvas

se presionan uno contra otro, el contacto en punto o línea se

transforma en contacto de área y la tensión desarrollada en ambos

cuerpos es tridimensional

Superficies Conformales. Son aquellas superficies cuyos centros de

curvatura están en el mismo lado de la interfase

Superficies No Conformales. Son aquellas superficies donde los

centros de curvatura están en lados opuestos de la interfase, como en

los elementos rodantes de un balero o los dientes de un engrane

Fricción Abrasiva. Es la fricción por el rayado de partículas duras a

una superficie de un material blando

Lubricación Hidrostática. Ocurre cuando la velocidad de las

superficies son insuficientes para generar una capa gruesa como ocurre

en la lubricación hidrodinámica.

Lubricación Hidrodinámica. Se presenta cuando las superficies en

deslizamiento son separadas por una película de aceite lubricante

relativamente gruesa y la carga normal es también soportada por la

xxvii

presión interna de ésta; misma que se genera hidrodinámicamente por

la acción de la velocidad de las superficies en cuestión.

Lubricación Elastohidrodinámica. Se refiere al aceite lubricante que

separa las superficies contrarias de un contacto concentrado. Se

presenta en mecanismos cuyas superficies de fricción trabajan siempre

entrelazadas y nunca llegan a separarse a la velocidad nominal de

operación.

Rugosidad. La rugosidad se encuentra generalmente representada por

el valor Ra, o rugosidad media aritmética; es la terminación de las

superficies.

QFD. Metodología empleada en el diseño del prototipo conocida como

Despliegue de Funciones de Calidad (Quality Functions Deployment).

CAPÍTULO I FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA

DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA

1

CAPÍTULO I

FUNDAMENTOS DE

TRIBOLOGÍA



2

FUNDAMENTOS DE TRIBOLOGÍA

1.1 IMPORTANCIA DE LA TRIBOLOGÍA

La palabra tribología, se deriva del griego tribos (τριβοσ) cuyo

significado es rozamiento o fricción y logos (λογοσ) estudio o tratado.

Por ello, desde el punto de vista etimológico, se define como el estudio

o tratado de los fenómenos de la frotación o fricción. Sin embargo, a un

grupo de Científicos del Ministerio Británico de Ciencia y Educación,

encabezado por el Prof. Peter Jost, en 1966, la definieron como: “La

ciencia y tecnología que estudia los sólidos que se encuentran en

contacto y movimiento relativo, así como los fenómenos que de ello se

derivan”. En consecuencia, la fricción, el desgaste, y la lubricación son

áreas importantes en dicha ciencia [1].

Para el estudio de la tribología, ésta se ve apoyada por otras ciencias,

como se muestra en la figura 1-1.



3

Física

Química

Ingeniería

Ciencia de materiales(incluye la metalurgia)

Mecánica Fig. 1-1 Ciencias que apoyan a la tribología.

De esta manera, se puede apreciar la importancia que tiene cada una

de ellas, donde la ingeniería mecánica, juega un papel primordial en el

diseño y construcción de dispositivos mecánicos que simulan los

efectos ocasionados por los fenómenos antes mencionados. Por ello, la

importancia de que se difunda esta ciencia en nuestro país y sobre todo

en los centros de educación medio superior y superior, de igual forma

y quizás la más importante en el Postgrado de Ingeniería Mecánica [2].

Es necesario, estudiar tanto las características como las condiciones en

que se llevan a cabo las interacciones de las superficies de los pares

mecánicos, a este entorno, se le conoce como tribosistema, cuyos

elementos se presentan en la figura 1-2.



4

Pérdida de material(Tasa de desgaste)

intermedia

Cambios en la superficie(Inicio del desgaste)

Sustancia

Medio ambiente

Desgaste característico

Base

Contracuerpo

Factores combinados carga/fatigaEstructura

Fig. 1-2 Tribosistema.

1. Base: Cuerpo primario de fricción, en condición de desgaste.

2. Contracuerpo: Cuerpo secundario de fricción bajo condiciones de

desgaste.

3. Sustancia intermedia: Aceite lubricante, polvo, fibras, granos, agua,

vapor, gases, etc.

4. Medio ambiente: Es el entorno donde se encuentra el sistema; puede

estar constituido por gases y/o líquidos en diferentes condiciones

de presión; ya sean muy elevadas o al vacío; a temperaturas

extremas, etc.

Involucrando cualquier posible combinación de triboelementos, que incluyen al medio ambiente.



5

1.2 DESARROLLO HISTÓRICO DE LA TRIBOLOGÍA.

Desde la época de los egipcios ya se tenía un antecedente de la

tribología, ya que ellos, utilizaron trineos o bases de madera que se

deslizaban sobre rodillos cubiertos de grasa de origen animal.

Otra anécdota importante durante esa época, fueron los estudios

realizados a un carruaje, que se encontraba en una tumba egipcia,

donde se observó, que en los ejes de sus ruedas, contenía un lubricante;

pegajoso y ligeramente aceitoso, con un punto de fusión cercano a los

49.5 °C. Posteriormente, los resultados obtenidos de un nuevo análisis,

determinan que la grasa utilizada para dicho eje era de carnero [3]. Al

paso del tiempo, el hombre ha convivido con los fenómenos de fricción

desgaste y lubricación. Adoptando como ejemplo, una de las primeras

aplicaciones durante el periodo paleolítico, la fabricación de

herramientas rudimentarias, como fueron los taladros hechos con

piedra, cuerno o hueso, utilizados para producir fuego o barrenar. Las

tablas halladas en Sumeria, con una antigüedad de aproximadamente

3500 a. C., donde documentan el uso de la rueda en vehículos,

apareciendo con ello, las primeras chumaceras. Asimismo, se han

encontrado instrumentos, como los tornos de alfareros, que se

remontan del año 2000 a. C., en los que se emplearon cojinetes de

piedra pulida. Todo esto indica, que la aplicación de la tribología se

desarrolló a la par con las primeras culturas de la humanidad. [ 4 ].



6

A medida que fue evolucionando la civilización, varios personajes

como Leonardo de Vinci, Amontons, Desaguliers, Coulomb y Morin,

entre otros, realizaron los primeros estudios sobre el fenómeno de la

fricción que fueron los fundamentos científicos para la tribología.

Leonardo de Vinci (1452 - 1519), no tuvo predecesores en sus

investigaciones sobre la tribología; calculó el coeficiente de fricción

para muchos materiales, obteniendo como resultado que éste,

dependía de la naturaleza de los cuerpos interactuantes. Los trabajos

realizados por de Vinci dieron inicio a investigaciones de las causas de

la fricción así como la concepción de “ventaja mecánica”. Esta última,

fue introducida en la ciencia de máquinas [3], que comenzó a ejercer

gran importancia en la economía de los sistemas mecánicos modernos.

Basándose en sus experimentos, Leonardo concibió los siguientes

principios:

1. La fuerza de fricción depende de la naturaleza de los materiales

en contacto.

2. La fuerza de fricción depende del grado de “pulimento o

terminado” en las superficies de contacto.

3. La fuerza de fricción, depende de la posible presencia de un

fluido u otro material interpuesto entre las superficies.

4. La fuerza de fricción aumenta con la presión que un cuerpo

ejerce sobre otro. Además, la fuerza de fricción es independiente

del área de las superficies en contacto.



7

En los cálculos hechos por Leonardo de Vinci, asumía un valor

uniforme de un ¼, para el coeficiente de fricción, válido sólo en el caso

de superficies suaves y planas, como lo afirma en su trabajo

“Atlanticus”. “La experiencia demuestra que un objeto con superficie

pulida colocado sobre un plano liso, se resiste a ser deslizado con una

fuerza igual a la cuarta parte de su peso”.

Las máquinas tribológicas diseñadas por Leonardo para medir la

fricción se muestran en la figura 1-3 [5].

Fig. 1-3 Equipos diseñados por Leonardo de Vinci, para medir la fuerza de

fricción.(Fuente: Leonardo de Vinci an Artrabas Book).



8

Guillaume Amontons, casi tres centurias después, publicó en

diciembre de 1699 su trabajo referente al fenómeno de la fricción,

titulado “De la resistance causee dans les machines” siendo la primera

investigación científica sobre el tema, desde el trabajo de Leonardo de

Vinci. [6]

Su contribución a la tribología, consiste en la presentación de las leyes de la fricción: 1. La fricción es independiente del área aparente de contacto entre los dos cuerpos. 2. La fuerza de fricción es proporcional a la carga normal entre las superficies en contacto. Posteriormente, John Theopilus Desaguliers, en su trabajo titulado

“Some experiments concerning the question of lead”, publicado en

1725, reconoció el posible papel de la cohesión o adherencia en el

proceso de fricción. Otro aspecto, igualmente, importante es la

discusión sobre el grado de impacto del “pegamento o fricción”, en el

funcionamiento de las máquinas donde sostuvo que, “debemos ser lo

suficientemente cuidadosos para que las deducciones obtenidas de los

cálculos concernientes a una máquina, tenga validez matemática”. No

obstante, estos estudios no tuvieron una amplia difusión. [6]

El trabajo de Desaguliers, fue retomado, por Coulomb en el año de

1779. [7] Esto sucedió cuando este personaje viajaba en el carruaje, que



9

lo condujo a Rochefort y le surge la idea de analizar el problema del

rozamiento “de rodadura” motivado por el rozamiento de las ruedas

del vehículo. Tema que lo obliga a realizar una serie de experimentos

sobre la fricción.

Analizó, los motivos ¿del por qué? el

carruaje no podía desplazarse más

rápidamente, incluyendo el

rozamiento de dos superficies planas,

las cuales, se encuentran en contacto,

por ello tuvo que diseñar y construir

un aparato para medirlo y evaluar la

fricción. A éste le dio el nombre de

Tribómetro, cuyo esquema aparece en

la figura 1.4. Este, consiste en una

especie de mesa en la que se coloca

una caja, atada a un hilo y lleva en su

otro extremo un platillo el cual pasa

por una polea, colocada en el borde de la mesa. Las superficies de roce

son la mesa y la caja, la presión se hace variar, a través de las pesas en

la caja y las variaciones de las carga, que debe ser colocada en el

platillo, para provocar el movimiento de la caja.

De esta forma, Coulomb propuso las siguientes tres leyes para el frotamiento o fricción.

Figura 1.4. tribómetro



10

1ª El frotamiento es proporcional a la presión. 2ª El frotamiento es independiente de la superficie. 3ª El frotamiento es independiente de la velocidad de deslizamiento.

Medio siglo después, de que Coulomb abordara el campo de la

tribología, Arthur Jules Morin realizó notables estudios sobre la

naturaleza del fenómeno de la fricción, iniciándolos en Metz, (antes de

ser nombrado Jefe de Mecánica Aplicada en la ciudad de París). Esta

brillante investigación, sirvió para llamar la atención de las

autoridades del “Conservatorie des Arts et Meteries”. Ambos

respondieron a los intereses militares de su país. Por ejemplo, el primer

trabajo de Morin; titulado “Memorie concernant de nouvelles

experiences sur le frottement faites a Metz en 1831”, fue financiado por

el ministerio de guerra.

Una de las tareas de Morin fue la determinación, registro y utilidad de

los coeficientes de fricción, obtenidos en experimentos que emplean

movimientos de deslizamiento y rodamiento; conocimientos técnicos

imprescindibles para los ingenieros mecánicos en la construcción de

máquinas. Los coeficientes propuestos por Morin, se les conoce con

este nombre, los cuales son más reconocidos que los de Coulomb.



11

1.3 APLICACIÓN DE LA TRIBOLOGÍA

La Tribología está presente en prácticamente todos los aspectos de la maquinaría, motores y componentes de la industria en general. Los componentes tribológicos más comunes son:

Rodamientos Embragues

Sellos Frenos

Anillos de pistones Engranes

Cepillos Levas

Las aplicaciones más comunes de los conocimientos tribológicos, aunque en la práctica no se nombren como tales, son:

Motores eléctricos y de combustión (componentes y funcionamiento)

Turbinas

Extrusión

Rolado

Fundición

Forja Procesos de corte (herramientas y fluidos)

Elementos de almacenamiento magnético

Prótesis articulares (cuerpo humano)

La aplicación de los conocimientos de la Tribología en estas prácticas deriva en:

Ahorro de materias primas Aumento en la vida útil de las herramientas y la maquinaría Ahorro de recursos naturales Ahorro de energía Protección al medio ambiente Ahorro económico



12

1.4 LA TRIBOLOGÍA EN LA INDUSTRIA

La tribología es crucial para la maquinaría moderna que utiliza

superficies rodantes y/o deslizantes.

De acuerdo a algunos estimados, las pérdidas resultantes de la ignorancia

en tribología en los Estados Unidos representan aproximadamente el 6% del

total del producto interno bruto ($200 billones de dólares por año en 1966), y

aproximadamente un tercio de los recursos energéticos existentes se

pierden en forma de fricción. Por ésto, la importancia de la reducción

de la fricción y el desgaste para un ahorro de dinero y una

confiabilidad a largo plazo de la maquinaria. Según Jost (1966,1976), el

Reino Unido podría ahorrar aproximadamente 500 millones de libras al año, y

los Estados Unidos llegarían a ahorrar hasta 16 billones de dólares al año

utilizando mejores prácticas tribológicas. Este ahorro es significativo y

puede obtenerse sin hacer una gran inversión de capital

Figura 1.5. La Tribología en la Industria



13

1.4.1 RODAMIENTOS EN LA INDUSTRIA

La experiencia y la historia nos muestran que menos del 10% de todos

los reemplazos de rodamientos en el campo pueden ser atribuidos a la

clásica fatiga de contacto por rodadura. El restante 90% es debido a

razones y condiciones lejanas a la fatiga de rodadura pura. Debido a

que el número de fallas por fatiga clásica son estadísticamente

insignificantes al consumidor final, las siguientes observaciones se

deben hacer:

1. La industria de rodamientos ha desarrollado en la producción,

rodamientos de la calidad y diseños necesarios.

2. La industria de rodamientos busca continuamente el

mejoramiento del “estado del arte” de la tecnología de

rodamientos.

3. Como el diseño, instalación y sistemas de lubricación se ha

mejorado, los elementos de rodamientos fallan a lo ultimo

debido a la fatiga después de un extenso servicio.

Es bien sabido y documentado que la vida de FCR en los

rodamientos es dependiente de muchos factores interactuantes, tales

como materiales de los rodamientos, técnicas de fundición, variables

en el procesamiento de materiales, sistemas de lubricantes (para

control de temperatura), espesor de la película Elastohidrodinámica,



14

niveles de esfuerzo de contacto, y otros efectos ambientales y

operacionales (tales como desalineamiento). Los factores de ajuste de

vida de diseño recomendados por ASME, división Lubricación,

provee los medios de modificación de “aproximaciones ingenieriles”,

los cuales se dan en muchos catálogos de fabricantes de rodamientos y

esto permite mejores estimaciones de predecir la vida de rodamientos

bajo condiciones específicas.

Así como los factores de ajuste de vida de ASME pueden ser aplicados

a la mayoría de las aplicaciones de rodamientos, cierta precaución es

recomendada para casos de extremas condiciones ambientales. La

influencia combinada de importantes factores ambientales y

operacionales requiere pruebas de laboratorio, para conducir estas bajo

condiciones que simulen lo más cercano posible en ambiente de

servicio esperado y que un número suficiente de pruebas se realicen

para evaluar la fatiga. [8]

1.5 EL DISEÑADOR DE EQUIPO TRIBOLÓGICO

El proceso tribológico para el diseñador del equipo consta de los

siguientes pasos:

• Estudio de la fricción o deslizamiento entre las piezas

componentes del equipo. Lo realiza el diseñador basándose en los

materiales, procesos de fabricación, acabados superficiales,

tratamientos superficiales, velocidades relativas entre las piezas,



15

esfuerzos superficiales que se generan, temperaturas de trabajo de la

máquina y otros factores propios de cada equipo.

• Estudio del desgaste que se puede presentar en los elementos

(adhesivo, abrasivo, corrosivo, por fatiga, por erosión y cavitación)

para tomar medidas de prevención adecuadas.

• Estudio del tipo de movimiento relativo que se presenta entre los

elementos. Puede ser: rodadura pura, deslizamiento o una

combinación de ambos. El tipo de movimiento tiene una incidencia

directa en la formación o no de una buena película de lubricante

entre las superficies.

• Adopción de una solución tribológica. Consiste en definir el tipo

de conexión entre los elementos y puede ser: uniones cinemáticas

deslizantes no lubricadas o uniones lubricadas. Para las primeras

pueden utilizarse materiales poliméricos, materiales cerámicos, o

capas superficiales para contacto seco. En las uniones lubricadas se

pueden aplicar lubricantes sólidos, líquidos (aceites minerales o

sintéticos), semisólidos (grasas minerales o sintéticas) y gaseosos.



16

• Una vez definido el tipo de lubricante a utilizar, se estudia el tipo

de película lubricante con que van a trabajar los elementos de

acuerdo a las condiciones cinemáticas presentes en el equipo

(lubricación límite, hidrodinámica o elastohidrodinámica).

• La tribología brinda herramientas matemáticas y gráficas que

permiten seleccionar las características que debe poseer el lubricante

para proteger en forma adecuada el equipo. Se selecciona la marca

del mismo, teniendo en cuenta el servicio de asesoría que pueda

brindar el fabricante y la facilidad de suministro para todos los

equipos de la empresa.

• Definir la cantidad de lubricante a aplicar y las frecuencias de

cambio tanto en la etapa de asentamiento o de despegue del equipo,

como en su posterior etapa productiva. Una herramienta muy valiosa

para esta definición es el análisis del aceite usado.

• Suministro y aplicación del lubricante al equipo. Aquí vale la

pena insistir en la limpieza del proceso para evitar que el aceite se

contamine (mezclándose con otros) o que entran impurezas al

sistema.



17

Un último paso en este proceso es el control y seguimiento al

lubricante para verificar que está cumpliendo efectivamente su función

de protección y conservación del equipo. Cuando el lubricante llega a

su límite de vida es necesario tomar decisiones respecto al destino de

ese lubricante usado y contaminado, teniendo en cuenta que todas las

empresas deben tener en su horizonte el logro de un desarrollo

sostenible.

Un proceso como éstos, es el que siguen, por ejemplo, los fabricantes

de motores de combustión interna para decirle al usuario de un

vehículo qué tipo de aceite debe aplicar.

1.5.1 EL USUARIO DEL EQUIPO

El proceso tribológico para el usuario del equipo es algo diferente, ya

que debe tener en cuenta algunos factores diferentes a los que se

analizaron para el diseñador. Para explicar este punto, como primer

paso lo ideal sería introducir todos los equipos del sistema productivo

en un proceso tribológico; sin embargo, para probar sus bondades

puede hacerse una prueba piloto en un grupo de equipos en una línea

de producción o en un proceso determinado y luego extenderlo a toda

la planta.

Un equipo está en un proceso tribológico cuando al menos el 90% de

sus elementos alcanza la vida a la fatiga o vida útil calculada. El



18

fabricante del equipo debe suministrar las curvas tribológicas o curvas

de desgaste de los elementos, (en caso contrario se pueden construir).

En el gráfico se muestran 3 curvas tribológicas que corresponden a

situaciones diferentes.

Figura 1.6. Comportamiento Tribológico de un equipo.

La curva A representa un comportamiento tribológico normal del

equipo en donde se alcanza la vida útil del diseño que entrega el

fabricante, (en este caso 80.000 horas), la curva B indica un proceso

tribológico negativo, donde no se alcanza esa vida (sólo llega a 40.000

horas), obsérvese que los niveles de desgaste durante las primeras

COMPORTAMIENTO TRIBOLÓGICO DE UN EQUIPO



19

6.000 horas de trabajo son más altos que en la curva A; la curva C

corresponde a un proceso tribológico positivo, donde se excede la vida

del diseño o vida útil del equipo (se alcanzan 100.000 horas). En este

caso durante las primeras 6.000 horas de trabajo los niveles de desgaste

son más bajos [9].

CAPÍTULO II FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y DESGASTE

DESARROLLO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA EVALUAR EL DESGASTE POR FATIGA POR CONTACTO DE RODADURA 20

CAPÍTULO II

FENÓMENOS DE FRICCIÓN Y

DESGASTE



CAPÍTULO II

2.1 CONTACTO MECÁNICO

2.1.1 TENSIONES DE CONTACTO DE HERTZ Cuando dos cuerpos que tienen superficies curvas se presionan uno

contra otro, el contacto en punto o línea se transforma en contacto de

área y la tensión desarrollada en ambos cuerpos es tridimensional.

Una teoría de contacto se requiere para predecir la forma de esta área

de contacto y cómo ésta crece en tamaño con el aumento de la carga: la

magnitud y distribución de las tracciones superficiales, normales y

posiblemente tangenciales, transmitidas a través de la interfase, como

se presenta en este trabajo, donde 2 superficies no conformales (el balín

y la pista de rodamiento) están en contacto.

La distribución de tensiones en el contacto ideal, descrita por Hertz, en

1882, posee una fuerte componente hidrostática, y la solicitación más

severa se produce debajo de la superficie. Se conocen en general como

tensiones de contacto de Hertz.

2.1.2 SUPERFICIES DE CONTACTO

2.1.2.1 SUPERFICIES CONFORMALES

Son aquellas superficies cuyos centros de curvatura están en el mismo

lado de la interfase. Nota: en una prueba de desgaste, este término es

usado en el caso donde la curvatura de ambos especímenes



concuerdan, por lo que el área de contacto nominal durante la prueba

permanece constante.

2.1.2.2 SUPERFICIES NO CONFORMALES

Son aquellas superficies donde los centros de curvatura están en lados

opuestos de la interfase, como en los elementos rodantes de un balero

o los dientes de un engrane. En pruebas de desgaste, una configuración

geométrica en la cual un “punto” o “línea” de contacto es inicialmente

establecida entre los especímenes antes de comenzar la prueba. Nota:

ejemplos de contactos no conformales son las geometrías bola- en –

anillo y superficie plana- en- anillo (tangentes a la superficie

circunferencial). Cuando el desgaste ocurre, el área nominal de

contacto tiende a incrementarse [10].

Figura 2-1. Geometrías Conformales y No Conformales

GEOMETRÍA NO- CONFORMAL

GEOMETRÍA CONFORMAL

CARGA

CARGA

CARGA

CARGA

CARGA

BLOQUE PLANO- EN -ANILLO

ZAPATA DOBLE DE HULE

BOLA- EN -ANILLO



2.1.3 TIPOS DE CONTACTO

2.1.3.1 CONTACTO IDEAL

La distribución de tensiones en el contacto de cuerpos no-conformales

fue descrita por Hertz, quien a fines del siglo XIX desarrolló la teoría

que con sus hipótesis simplificativas está vigente en la actualidad.

El contacto entre las superficies, posee una geometría particular, que

depende de la forma de los cuerpos en contacto. El mismo puede ser

un punto o una línea, para el contacto entre esferas o cilindros

infinitamente rígidos, respectivamente. Debido a la presencia

beneficiosa de las deformaciones elásticas, los contactos puntuales o

lineales generan áreas de contacto finitas circulares o rectangulares;

respectivamente, haciendo que las tensiones de contacto disminuyan a

niveles tolerables por el material. Por ejemplo, el contacto entre una

bola y una superficie plana es puntual, mientras que el contacto entre

un par de engranajes de dientes rectos es lineal. En el caso más general

el área de contacto es una elipse.

La figura 2-2, muestra el contacto en un punto o, entre dos esferas de

radios RA y RB. Si existe entre ellas una carga P, entonces se produce en

ellas, una deformación elástica, generando un área de contacto circular

de radio a; basándose en el principio de la elasticidad, para obtener su

solución, Hertz consideró las siguientes idealizaciones:



Eje XX Dir. Rod. - DR

Cuerpo A

Cuerpo B

RA

RB

Eje YY Dir.Eje - DE

Eje ZZ Dir. Normal - DZP

P

Area de Contacto

a

YY

XX O

a) Las superficies son continuas y no-conformales.

b) Las deformaciones son pequeñas.

c) Cada cuerpo puede considerarse como un semi-espacio elástico.

d) No existe fricción entre las superficies: µx = µy = 0

Figura 2-2. Geometría del contacto entre dos esferas de radios RA y RB, bajo un esfuerzo P , generando un área de contacto circular de centro en o y radio

a.



La deformación elástica, en el área de contacto, es máxima en el centro

y mínima hacia los bordes. Ésto, a la vez, produce una distribución de

la tensión normal al área de contacto, como la observada en la figura

2-3, donde el valor máximo se conoce como máxima tensión hertziana,

p0. La figura 2-4, muestra la distribución de tensiones según las

direcciones XX, YY y ZZ, en el contacto puntual de la Fig. 2-1, en

función de la profundidad por debajo del centro del área de contacto.

Las mismas, producen una tensión de corte pulsante unidireccional

(τZX), con una distribución en función de la profundidad, que presenta

un máximo a una profundidad de ~0.5a. También se genera, pero por

el efecto de traslación del elemento rodante, una tensión de corte

ortogonal alternativa (τalt), que tiene sus máximos más cerca de la

superficie (~0.4a) y por delante y por detrás del punto de contacto, con

respecto a la Dirección de Rodadura (DR).



Figura 2-3. Esquema de dos esferas de radio R1 y R2 en contacto. Se observan el área de contacto de radio a, la distribución de tensión normal al área de contacto y la

máxima tensión hertziana p0 (Ref. Johnson, 1985) Hoy en día, se conoce que el mecanismo de degradación de la

microestructura y nucleación de la falla en fatiga de contacto por

rodadura, tiene que ver con la ubicación de ambas tensiones de corte.

Ha sido demostrado que existe un valor p0 umbral, por debajo del cual,

no existe daño en FCR. La tensión p0 contribuye en gran medida, a

generar un estado hidrostático de tensiones por debajo del área de

R1

R2

Carga P

Máx. TensiónHertziana p0

Carga P

DR = XX

DZ = ZZ

a a

Distrib. tensiónnormal al área de

contacto



contacto, sólo una parte de él, al ocasionar un desviador de tensiones,

es el responsable de la micro-plasticidad asociada a la FCR. Por lo

tanto, dependiendo de la geometría del área de contacto, para producir

la degradación del material, p0 debe ser mayor a cuatro veces el valor

del límite elástico cinemático del material, kk [11].

La distribución de tensiones presenta el estado más desfavorable por

debajo de la superficie, en la región donde actúan los máximos de las

tensiones de corte τZX y τalt. La tensión equivalente o de Von Mises,

también es máxima por debajo de la superficie, a una profundidad que,

como se mencionó, está relacionada con la semi-amplitud de la elipse

de contacto, medida en la dirección de rodadura.

Si bien la tensión hertziana máxima po ; en numerosos mecanismos

supera el límite elástico del material, las tensiones generadas en el

contacto poseen una componente hidrostática importante, como se

observa en la figura 2-3. Aún con tensiones de contacto p0 elevadas, si

el desviador de tensiones aplicado, se encuentra por debajo del límite

elástico del material, no se producirá microplasticidad. Por lo tanto,

tampoco se observan signos de fatiga, aún para un número infinito de

ciclos de carga.



Figura 2-4. Distribución de las tensiones normales σXX, σYY ,σZZ y la tensión de

corte pulsante unidireccional τZX, debajo del punto central del área de contacto. La

tensión τZX, presenta el máximo a la distancia a/2 por debajo de centro del área de

contacto. (Ref. Johnson, 1985).

Existe un valor de carga umbral a partir del cual se produce la

degradación progresiva del material. El valor umbral, se expresa

frecuentemente como la relación p0/kk, donde p0 es la máxima tensión

0 -0.5 -1.0 -1.5

z/a

1 2 3

σXX = σYY

σZZ

τZX = τZY

Profundidad



en el contacto hertziano ideal y kk es el límite elástico cinemático. El

valor kk, se obtiene a partir de ensayos con carga dinámica de fatiga de

bajos ciclos en tracción o torsión.

En contactos sin fricción, el valor umbral para producir la degradación

del material por microplasticidad es p0/kk=4 y p0/kk=4.7, para

contactos puntuales entre esferas y lineales entre cilindros [12],

respectivamente. Hoy en día, se conoce que el mecanismo de

degradación de la microestructura y nucleación de la falla en FCR,

tiene que ver con la presencia, ubicación y magnitud de las tensiones

de corte.

2.1.3.2 CONTACTO NO IDEAL

En general, el contacto real entre elementos rodantes, está acompañado

por algún grado de fricción o deslizamiento entre las superficies. Esto,

afecta la distribución de tensiones en el contacto, haciendo que los

máximos de las tensiones de corte se aproximen a la superficie, como

se observa en forma esquemática en la Figura 2-5 [11].

El apartamiento de las condiciones ideales, genera una distribución de

tensiones muy diferente de la ideal. Esto ocurre por ejemplo cuando las

condiciones operativas producen la disminución del espesor de la

película lubricante y la aparición del contacto entre las micro-asperezas

superficiales.



Figura 2-5. Distribución de tensiones para los casos de: rodadura pura, deslizamiento puro y la combinación rodadura+deslizamiento (Johnson, 1985).

El contacto entre las micro-asperezas de una superficie mecanizada,

genera una micro-área de contacto, donde las superficies están

separadas por la película de aceite formada en la lubricación micro-

elasto-hidrodinámica.

Las tensiones de corte máximas producidas, se localizan a

profundidades, que en este caso, están relacionadas con la semi-

amplitud de las micro-áreas de contacto, comúnmente entre 0-50 µm

de la superficie.

El contacto de los elementos rodantes sobre defectos naturales, tales

como rayas o indentaciones, produce un efecto similar, acercando a la

Distancia debajo de la superficie

Deslizam. puro

Esfuerzo combinado rodadura y deslizamiento

Rodadura pura

Tensión de corte



superficie la posición y multiplicando los valores de los máximos de

las tensiones de corte τZX y τalt. El análisis por elementos finitos,

muestra que discontinuidades de sólo 5µm de profundidad, pueden

producir picos de tensión que duplican la máxima tensión hertziana

[11].

El contacto entre micro-asperezas o defectos superficiales, genera una

micro-área de contacto, sujeta a valores de tensión normal hasta 5

veces mayor que el p0 del macro-contacto.

2.2 FRICCIÓN

2.2.1 DESCRIPCIÓN DEL FENÓMENO DE FRICCIÓN.

La palabra fricción deriva del vocablo latino “Fricare”, que significa

rozamiento o frotamiento, se aplica para describir la pérdida gradual

de energía cinética en situaciones donde dos cuerpos o sustancias, se

encuentran en contacto y movimiento relativo. Por ello, se le ha

definido como la resistencia que presentan a dicho movimiento. No

debe confundirse la fricción con el desgaste. La diferencia

fundamental, estriba en que en las áreas de contacto real, se generan

las fuerzas de fricción, las cuales varían de acuerdo a los distintos

parámetros del sistema. Posteriormente, dichas fuerzas ocasionan el

desprendimiento o desgarre de material de la superficie, lo que se

conoce como desgaste [13].



La fuerza requerida para vencer la fricción no hace ninguna

contribución útil al funcionamiento global del mecanismo, puesto que

finalmente se disipa en forma de calor. Por consiguiente, en la mayoría

de los diseños mecánicos, se busca reducir al máximo su participación.

Sin embargo, no se debe omitir que existen numerosas aplicaciones

para los coeficientes de fricción que son muy grandes, como lo

requieren los reguladores de velocidad por fricción, los sistemas de

frenado, los sistemas de transmisión, los neumáticos de un automóvil,

las bandas transportadoras, etc. En herramientas tan sencillas como el

martillo de carpintero, donde es necesario enormes coeficientes de

fricción, ya que al sacar un clavo de la madera se mantiene en su sitio

por la fricción, que se presenta a lo largo de sus orejas; si la interacción

friccional fuera substancialmente reducida, la cuña se movería hacia

afuera y no sería posible la extracción del clavo. De manera semejante,

sucede en el asimiento entre una tuerca y un tornillo, la unión de

ambos depende de la fricción adecuada entre ellos. En cualquier tipo

de tejido, sea textil, un cable de acero o una cuerda, la unión de los

hilos depende básicamente de la fricción que existe entre sus fibras, ya

que no hay ningún pegamento o adhesivo que los mantenga unidos.

Por esta razón sería casi imposible anudar dos cordones si sus

materiales tuvieran coeficientes de fricción muy pequeños [14].

En un motor de combustión interna moderno, quizás el 15 o 20% de la

potencia producida se gasta en vencer las fuerzas de fricción que hay



entre sus pares mecánicos. En un artefacto aéreo, el porcentaje de

pérdidas de potencia por fricción pueden ser muy pequeñas; no

obstante, todavía representan una componente significante del

combustible que consume. En muchas situaciones, este fenómeno

puede ser de menor importancia; sin embargo, el daño por desgaste en

los elementos mecánicos representa un problema mucho más grave.

Dada una fricción elevada, significa invariablemente, una mayor

generación de temperatura en las capas superficiales de los materiales

aumentando las proporciones del daño.

2.2.1.1 FRICCIÓN ABRASIVA.

La fricción, es la fuerza de resistencia tangencial en la interfase de dos

cuerpos, que están sometidos a la acción de una fuerza, uno de ellos se

mueve o tiende a moverse relativamente deslizante o rodante sobre la

superficie del otro [10][15].

Como el coeficiente de fricción no es una propiedad simple, algunos de

los factores que lo afectan son [16]:

• Cinemática de las superficies en contacto

• Cargas y/o desplazamientos externos.

• Condiciones del medio.

• Topografía superficial.

• Propiedades de los materiales.



Entre la fuerza de fricción y la carga normal, existe una relación

constante de proporcionalidad conocida como coeficiente de fricción,

denotada por:

µ= F/W (2.1)

Donde:

µ = Coeficiente de fricción.

F= Fuerza Aplicada.

W= Carga Normal.

El coeficiente de fricción en rodamientos con cargas muy ligeras varía

desde 0.001 hasta 10 para metales muy limpios y en condiciones de alto

vacío. Para la mayoría de los materiales en deslizamiento al aire, los

valores típicos del coeficiente son de 0.1 a 1 [13].

En el pasado, para todos los materiales, la fricción se explicó en

términos del modelo de adhesión. El valor obtenido es mucho menor a

los valores típicos observados. Otro intento para explicar la fricción fue

por medio de la rugosidad (fuerza requerida para subir la pendiente de

la aspereza) [13] [15] [16] [17].

La fricción por el rayado de partículas duras a una superficie de un

material blando se presenta en la figura 2-6, se analiza por medio de la

deformación de la aspereza [13] [15]:

µ def = cot α (2.2)



Fig. 2-6 Modelo de deformación en la fricción abrasiva.

Shaw y Macks en 1949, expresaron la fricción como la suma de la s

componentes de adhesión, rugosidad y rayado, ecuación 2.3.

µtotal = PH

++ θτ tan (2.3)

Kragelskii en 1980, la expresó en función del rayado y adhesión,

ecuación 2.4 [16].

µtotal = rh

h tK αβτ ′++rPo

(2.4)

Donde:

τ = Es el esfuerzo tangencial de cada unión

θ = Pendiente de la aspereza.

H = Dureza de Indentación.

P = Componente del rayado.

τo = Resistencia cortante superficial de la unión molecular, cuando la

presión normal es cero.



Pr = Presión de contacto, en una superficie en movimiento.

αh = Coeficiente de histéresis de pérdida de fricción.

β = Coeficiente de la unión molecular reforzada.

ht = Altura de la aspereza.

r = Radio de la aspereza.

K´ = Parámetro de la fricción.

El coeficiente de fricción µtotal, como lo expresan la ecuaciones (2.3) y

(2.4), se debe a la combinación de varios efectos, la adhesión entre las

superficies planas, µa, la deformación de la aspereza, µd; y el rayado

por partículas de desgaste y asperezas duras de la superficie, µp. Por lo

tanto:

µtotal = µa + µd + µp (2.5)

2.3 DESGASTE

2.3.1 MECANISMOS DE DESGASTE El desgaste generalmente se inicia según alguno de los mecanismos

básicos, para que posteriormente cambie hacia uno combinado o

complejo, que provoca el deterioro de las partes. En función de la

amplia variedad de criterios, que existen para definir los mecanismos

básicos de desgaste, se emplea en el presente trabajo la clasificación

más aceptada, la cual se divide en los siguientes mecanismos:



desgaste por adhesión

desgaste por abrasión

desgaste por fatiga

desgaste por corrosión

Desgaste por adhesión.

Este mecanismo de desgaste, se genera por la atracción entre los

átomos de las estructuras de dos cuerpos en contacto, depende del

grado de compatibilidad microestructural entre superficies. La

adhesión se debe al contacto íntimo a la que llegan dos superficies por

las altas presiones específicas en la zona de contacto real.

Desgaste por abrasión.

Este mecanismo de daño se presenta cuando las asperezas de un

cuerpo se ponen en contacto e indentan la superficie de un segundo

cuerpo más blando, removiendo material al microsurcar y

microfracturar creando por ello una raya.

Desgaste por fatiga .

Este mecanismo de desgaste es observado en caso de rodadura, y/o

deslizamiento, de una superficie respecto de otra. Esto produce sobre

un punto cualquiera del camino de rodadura la aplicación de cargas

variables en el tiempo que inducen tensiones capaces de nuclear y

propagar fisuras por fatiga pequeñas fisuras superficiales y/o sub-



superficiales. Este tipo de desgaste se detallará ampliamente en el

punto 2.3.2.

Desgaste por corrosión.

Este mecanismo, se presenta cuando el movimiento relativo entre

superficies actúa inmerso en un medio corrosivo, en donde el daño

superficial es debido a la suma de los factores. No debe confundirse

con procesos de degradación superficial sin presencia de movimiento

relativo entre superficies, en donde el daño será por corrosión estática. 2.3.2 DESGASTE POR FATIGA

El término de fatiga es aceptado generalmente como el tipo especial de

daño causado por la acción repetida de esfuerzos cíclicos con una

amplitud que alcanza valores por debajo del límite elástico del

material. El fenómeno de la ruptura de los materiales sujetos a

esfuerzos cíclicos por encima del límite elástico que se ha observado en

los últimos años, se le llama "fatiga de pocos ciclos" y se extiende

conceptualmente al término "daño por fatiga" [18].

El desgaste por fatiga generalmente se considera debido a la acción de

las tensiones o esfuerzos superficiales, sin medir necesariamente a

otras interacciones físicas entre las superficies de los cuerpos sólidos.



El desgaste por fatiga superficial es la forma más frecuente de desgaste

en los pares de las máquinas, razonablemente protegidos de la acción

de contaminantes abrasivos.

Al ponerse en contacto dos cuerpos sólidos con superficies rugosas, se

produce la penetración de las irregularidades más rígidas en el contra

el cuerpo menos rígidos. El movimiento relativo de las micro

irregularidades provoca una intensa deformación de las capas

superficiales.

Cálculo Del Desgaste Por Fatiga En su forma original y desarrollo posterior más completo, la teoría del

desgaste por fatiga se debe al soviético Kragelskii y sus colaboradores

[18]. A continuación se presenta un resumen de los resultados más

importantes incluyendo algunas fórmulas para el cálculo de la

Intensidad del Desgaste (Ih).

Ih=h/L (2.6)

Donde:

h: espesor de la capa desgastada

L: camino de la fricción

La intensidad lineal del desgaste se relaciona con el desgaste

volumétrico por la relación:



Ih= V/LAa (2.7)

Donde:

Aa = área nominal (aparente) de contacto.

V = volumen de desgaste

La intensidad del desgaste es un indicador macroscópico (integral) del

desgaste. Para caracterizar el desgaste a nivel microscópico, en los

puntos de contacto real, se define la intensidad específica del desgaste

lineal como:

hr

aEh I

AAI =

(2.8)

donde: Ar : área real de contacto.

2.3.2.1 DESGASTE POR FATIGA DE LOS RODAMIENTOS

Las superficies de los rodamientos están sujetas a fallos por fatiga

como resultado de los esfuerzos repetitivos causados por las partículas

atrapadas entre ellas.

Al principio, las superficies se mellan y se inicia la formación de

grietas, que se extienden por la aparición de nuevas partículas que

provocan nuevos esfuerzos. Finalmente la superficie falla,

produciéndose una hendidura.



El desgaste superficial en los rodamientos es la formación de grietas

superficiales o sub-superficiales y propagación de la grieta por fatiga,

es el resultado de aplicar cargas cíclicas en una superficie, figura 2-7.

Fig. 2-7.Aspecto característico de la falla. DR, dirección de rodadura; CR,

camino de rodadura.

CAPÍTULO III LUBRICACIÓN


CAPÍTULO III

LUBRICACIÓN



3.1 LUBRICACIÓN

La lubricación, se refiere a la modificación de las características

relativas a la fricción y a la reducción del daño y el desgaste en la

superficie de los sólidos, al moverse uno en relación con el otro.

Cualquier cosa que se introduzca entre 2 superficies de ese tipo para

realizar lo antes mencionado se llama lubricante.

3.1.1 LUBRICANTES

Tipos y propiedades.

Aunque las sustancias de uso más frecuente como lubricantes han sido

aceites o grasas, pueden ser adecuados muchos otros materiales de

naturaleza muy diferente. Los sólidos y los fluidos (líquidos, aire y

otros gases) se emplean como lubricantes. Asimismo, el lubricante

desempeña, con frecuencia, funciones múltiples: puede ser un medio

de transferencia de calor, protector contra la herrumbre y la corrosión,

sellador o para arrastrar los contaminantes [19].

La aplicación particular, en múltiples aspectos, determina la selección

de lubricante. Los lubricantes se fabrican a fin de que tengan ciertas

características específicas, que se pueden definir en términos de

propiedades físicas o químicas, o por su comportamiento.

El concepto del lubricante, como parte de las consideraciones en el

diseño, ha ayudado a establecer la gran importancia que tienen los

aspectos de la lubricación en el funcionamiento de los mecanismos,



permitiendo un rendimiento más satisfactorio. Los fabricantes y

proveedores de equipo, seleccionan cuidadosamente los lubricantes

aptos para las condiciones de operación, que se espera coadyuven a

que sus equipos funcionen adecuadamente.

3.1.2 LUBRICANTES LÍQUIDOS Aunque hay muchos líquidos; incluso el agua, que se pueden usar

como lubricantes; los de uso más frecuente, son los que se basan en

fracciones de petróleo refinado o en fluidos sintéticos. Los lubricantes

líquidos, obtenidos del petróleo, son los de uso más extenso, debido a

su adaptabilidad general a la mayoría de los equipos existentes o por

su disponibilidad a un costo moderado, o por ambos aspectos. Este

tipo de lubricantes, se preparan mediante muchos procesos disponibles

para refinación a partir de hidrocarburos naturales. Los tipos

principales de lubricantes de petróleo crudo son: parafínico y

nafteínico, términos que se refieren a la estructura molecular de los

componentes preponderantes. El petróleo parafínico ccontiene una

base predominante de hidrocarburos de la serie parafínica. También

hay petróleos aromáticos y sulfurosos; el nafteínico contiene una base

predominante de hidrocarburos de la serie cicloparafínica. Se suele

preferir utilizar petróleos parafínicos para la fabricación de

lubricantes, aún cuando los nafteínicos conservan un lugar importante

en ciertas aplicaciones.



3.1.3 LUBRICANTES SÓLIDOS

- Un lubricante sólido es una película delgada constituida por un

sólido o una combinación de sólidos introducida entre dos superficies

en rozamiento con el fin de modificar la fricción y el desgaste. El

funcionamiento de mecanismos sometidos a temperaturas, presiones y

ambientes severos, en los cuales los fluidos orgánicos no son

adecuados, ha promovido el perfeccionamiento de lubricantes sólidos.

Los lubricantes de película sólida incluyen numerosas variedades y

tipos de materiales que pueden tener diferentes propiedades, límites

(rangos) de operación y métodos de aplicación o adherencia a las

superficies que se van a lubricar.

Existen varias maneras de clasificar los lubricantes sólidos; una se

relaciona con la manera de fijarse al material de asiento. La

preparación de la superficie es importante en extremo para lograr la

acción del lubricante sólido; estos son:

- Los lubricantes sólidos no ligados, el tipo más sencillo, son

granulares o pulverizados. Se adhieren en cierto grado a la superficie

por acción mecánica o molecular, aunque no hay enlace químico o

físico intencional. Los materiales más comunes en esta clase son el

grafito, el disulfuro de molibdeno, el politetrafluoroetileno y otros

polímeros, talco, metales, óxidos metálicos y sales.



- Lubricantes sólidos ligados. La durabilidad de las películas sólidas,

es decir, su capacidad para sostener y mantener una lubricación

adecuada durante largo tiempo, ha sido un factor un tanto limitativo.

Se ha logrado mayor duración útil del lubricante con el uso de

adhesivos, de los cuales hay varios tipos adecuados para diferentes

condiciones de operación y aplicaciones.

3.1.4 ACEITES DE ORIGEN VEGETAL Y ANIMAL.

Los aceites grasos se obtienen de la extracción de los aceites de muchas

fuentes vegetales (semilla de algodón, palmeras, semilla de ricino, etc.)

o bien de la grasa de animales domésticos (manteca, sebo) y también

del pescado. Estos aceites, tienen composiciones y propiedades físicas

diferentes que dependen de su fuente, pero su característica común se

basa en su estructura química glicérida, en oposición a la estructura de

hidrocarburos común a los aceites del petróleo. Aún cuando son

lubricantes excelentes, en la actualidad raramente se utilizan en forma

pura, a causa de su tendencia a oxidarse con rapidez, lo que conduce a

la formación de lodo, laca, y ácidos potencialmente corrosivos. 3.1.5 GRASAS

Las grasas lubricantes, se forman al dispersar un agente espesador en

un lubricante líquido. Pueden utilizarse ingredientes adicionales con el

fin de lograr propiedades especiales. Los jabones son los espesadores

más comunes. Y también se emplean jabones complejos, pigmentos,



arcillas modificadas, productos químicos (como la poliurea) y

polímeros, solos o en combinación.

3.1.6 LUBRICACIÓN DE EQUIPO ESPECÍFICO

Cojinetes de contacto por rodadura.

Éstos incluyen los cojinetes de bolas de diversas configuraciones, así

como los cojinetes de rodillos de las diversas variedades de cilíndricos,

esféricos y ahusados, y los cojinetes de agujas. Pueden variar en

tamaño desde unos cuantos milímetros hasta varios metros. Se diseñan

básicamente para soportar cargas en condiciones de LEH (Lubricación

Elasto Hidrodinámica, como se verá en el punto 3.2), pero puede

existir un movimiento considerable de deslizamiento, así como el de

rodadura, en los puntos de contacto entre los elementos rodantes y las

pistas. Además se tiene deslizamiento entre los elementos rodantes y

separadores y , en los cojinetes de rodillos, entre los extremos de éstos

y los patines de las pistas. En muchos casos, resulta conveniente

incorporar aditivos contra el desgaste para hacer frente a estas

condiciones.

Con frecuencia puede elegirse entre aceite y grasa. En aquellos casos en

los que el lubricante debe eliminar calor de los cojinetes, es obvio que

debe seleccionarse aceite, en especial si pueden circularse con facilidad

grandes cantidades. También se prefiere el aceite si es difícil evitar la

contaminación por agua y sólidos, siempre que se suministre un

sistema adecuado de purificación. Si no resulta práctica la circulación,



entonces es posible que sea mejor inclinarse por la grasa. También

puede ser que lo indicado sea la grasa cuando sea limitado el acceso a

los engranes. Otros casos en los que es preferible la grasa, son en los

que las fugas de lubricante podrían ser un problema.

Los aceites adecuados por lo general contienen inhibidores de la

herrumbre y la oxidación, junto con aditivos contra el desgaste. La

viscosidad se selecciona con base a las consideraciones LEH o en las

recomendaciones de los constructores del equipo en particular, y

pueden situarse en cualquier valor dentro de los límites de los ISO VG

32 a 460. a menudo el aceite preferido es el ISO VG 68, tabla 3-1.

Tabla 3-1. Clasificación de viscosidades de aceites industriales ISO 3448-1975 (E).

Graduación de

viscosidad I.S.O.

Viscosidad en cSt a 40° C

Graduación de viscosidad

I.S.O.

Viscosidad en cSt a 40° C

I.S.O. VG 2 1. 98- 2. 42 I.S.O. VG 68 61. 2- 74. 8 I.S.O. VG 3 2. 88- 3. 52 I.S.O. VG 100 90. 0- 110 I.S.O. VG 5 4. 14- 5. 06 I.S.O. VG 150 135- 165 I.S.O. VG 7 6. 12- 7. 48 I.S.O. VG 220 198- 210 I.S.O. VG 10 9. 00- 11. 0 I.S.O. VG 320 288- 352 I.S.O. VG 15 13. 5- 16. 5 I.S.O. VG 460 414- 506 I.S.O. VG 22 19. 8- 24. 2 I.S.O. VG 680 612- 748 I.S.O. VG 32 28. 8- 35. 2 I.S.O. VG 1000 900- 1100 I.S.O. VG 46 41. 4-50. 6 I.S.O. VG 1500 1350- 1650 Si se emplea grasa, la elección del tipo será regida por las condiciones

de operación, con inclusión de la temperatura, carga, velocidad,



posibilidad de contaminación por agua y la frecuencia y método de

aplicación. La grasa 12- hidroxiestearato de litio se usa mucho, en

particular la del grado de consistencia Num. 2. Si el equipo se lubrica

de por vida en el momento de su fabricación, como es el caso de los

motores eléctricos para aparatos domésticos, con frecuencia se

seleccionan grasas de poliurea. 3.2 REGÍMENES DE LUBRICACIÓN

La fricción y el desgaste de dos superficies que están en contacto una

con otra pueden reducirse si se introduce un lubricante entre las

interfases de ambas. Esto, con el fin de separar total o parcialmente las

asperezas, las cuales demandan enormes fuerzas tangenciales para su

rompimiento.

La lubricación puede presentarse en diversas formas, dependiendo del

contacto relativo que guarda el lubricante con las superficies,

separando las asperezas, reduciendo la fuerza de fricción y facilitando

el deslizamiento[10]. Al uso de gases o líquidos como lubricante se le

denomina lubricación por película de fluido.



Fig. 3-1. La variación en resistencia friccional ( expresada como el coeficiente de fricción µ ) con el WU /η (características del rodamiento) para un rodamiento

lubricado: la curva de Stribeck

La lubricación entre 2 superficies deslizantes puede cambiar de uno a

otro de los tres regímenes, película gruesa, película delgada y

lubricación límite a otra, dependiendo de la carga, velocidad,

viscosidad del lubricante, geometría de contacto y rugosidad de ambas

superficies. Esta dependencia fue reconocida en 1902 por Stribeck . la

figura 3-1 muestra una curva típica de Stribeck. En la parte derecha,

donde la fricción se incrementa suavemente con el parámetro de

lubricación, la lubricación está en el régimen de película gruesa; a la

izquierda, donde la fricción es casi constante, la lubricación está en el

Lubricación Hidrodinámica

Lubricación Elasto-Hidrodinámica

Lubricación Límite



límite. A la mitad, la lubricación está en el modo mixto, o régimen de

película delgada. Los límites de estos regímenes se moverán a la

derecha si las superficies se vuelven duras y a la izquierda si estas se

vuelven suaves. [10] 3.2.1 LUBRICACIÓN HIDROSTÁTICA

En este régimen de lubricación se requiere de una gran fuente externa

para presurizar, sobre todo en cuerpos que se mueven lentamente.

Ocurre cuando la velocidad de las superficies son insuficientes para

generar una capa gruesa como ocurre en la lubricación hidrodinámica.

A este régimen de lubricación se le denomina hidrostática y su

efectividad depende directamente de la velocidad relativa de las

superficies, así como de la viscosidad del lubricante [10].

Su aplicación puede ser a baja velocidad en rodamientos hidrostáticos,

rieles guía en máquinas-herramientas de baja velocidad y rodamientos

de soporte de radiotelescopios. En este tipo de rodamientos se puede

presentar desgaste corrosivo, por los agentes químicos presentes en la

interacción del lubricante con la interfase de los materiales. En la figura

3-2, se muestra la configuración de un rodamiento hidrostático [5].

El espesor de la película y la presión del flujo del lubricante en la parte

interna del rodamiento se modifican si la carga se incrementa; en

consecuencia, la película del lubricante es muy delgada.



La presión interna nunca debe ser mayor a la presión de alimentación

de la fuente externa; en caso contrario, la presión disminuye y el flujo

aumenta.

Figura 3-2. Esquema con los 4 parámetros principales que determinan la operación de un rodamiento hidrostático, donde Ps, presión de suministro; Pr, presión del

hueco; h0, espesor de la película; b, diámetro del orificio del rodamiento; l, espesor del rodamiento. [ASM Handbook, Vol. 18]

La operación de este tipo de orificio restrictor queda definido con las

variaciones de carga, flujo y rigidez.

3.2.2 LUBRICACIÓN HIDRODINÁMICA

El régimen de lubricación hidrodinámica, se presenta cuando las

superficies en deslizamiento son separadas por una película de aceite

lubricante relativamente gruesa y la carga normal es también

soportada por la presión interna de ésta; misma que se genera

hidrodinámicamente por la acción de la velocidad de las superficies en

cuestión. Se requiere que las superficies de los pares que se lubrican, se



adapten dimensional y geométricamente, dejando tolerancias o huecos

entre ambas, para permitir que se forme la película del fluido

lubricante, que puede ser aceite, grasa, aire, agua, otro líquido o gas

[10].

Las superficies opuestas en la lubricación hidrodinámica deben ser

conformes, ésto significa que deben estar alojadas en pares cerrados,

separados por un pequeño espacio y en un área relativamente grande.

La presión de las fuerzas viscosas en el interior del lubricante son

quienes soportan la carga normal en la lubricación hidrodinámica, la

figura 3-3, muestra que la geometría debe ser convergente para este

régimen de lubricación. Para fines de claridad, la convergencia se

exagera.

Figura 3-3. Rodamientos con geometrías conformes bajo condiciones de

lubricación hidrodinámica. a) Planos opuestos, b) Rodamiento sencillo de muñón. [Tribology: Friction and Wear of Engineering Materials, I.M.

Hutchings, 1992]



De hecho, en la realidad, la separación de las superficies y los ángulos

de convergencia son muy pequeños. Por ejemplo, el espesor de aceite

de la película principal en el claro de un rodamiento mide

aproximadamente una milésima del diámetro de la pista del muñón,

mientras que el máximo y mínimo espesor llega a diferir por un factor

de cuatro o cinco.

3.2.3 LUBRICACIÓN ELASTOHIDRODINÁMICA (EHL)

El término películas de lubricación elastohidrodinámica se refiere al

aceite lubricante que separa las superficies contrarias de un contacto

concentrado. Las propiedades de esta diminuta cantidad de aceite,

típicamente 1 µm de espesor y una extensión de 400 µm para un

contacto puntual, y la cual está sujeta a presiones y cortes extremos,

determina la eficiencia del mecanismo de lubricación sometida a

Contacto por Rodadura.

La lubricación EHL se presenta en mecanismos cuyas superficies de

fricción trabajan siempre entrelazadas y nunca llegan a separarse a la

velocidad nominal de operación, en este caso las crestas de las

rugosidades permanentemente se están deformando elásticamente y el

control del desgaste adhesivo y el consumo de energía depende de las

características de la película adherida a las rugosidades y de la forma

geométrica que tengan éstas. La película lubricante que se forma, se le

puede denominar como sólida ó de capa límite, pero con

características de soporte de carga y de resistencia al desgaste adhesivo



mucho más resistentes de aquella que se forma para el caso de la

lubricación hidrodinámica. Asimismo, las condiciones de dicha

película, para el primer caso, son constantes, es decir no hay diferencia

sustancial entre la puesta en marcha y la velocidad de régimen del

mecanismo correspondiente.

La lubricación Elasto-hidrodinámica se divide en dos conceptos

fundamentales, el primero de ellos, Elasto significa elasticidad, ó sea

que las crestas de la rugosidad de una de las superficies del mecanismo

en el momento de la interacción con las de la otra superficie se

deforman elásticamente sin llegar al punto de fluencia del material en

condiciones determinadas de carga y temperatura; luego una vez que

termina de actuar la carga regresan a su posición original. En tanto que

el concepto Hidrodinámico, significa que a pesar de que la velocidad de

funcionamiento del mecanismo no es la óptima para que se desarrolle

una película hidrodinámica, no obstante, ésta se forma a un nivel más

microscópico. Debido a que el aceite que queda atrapado entre las dos

crestas deformadas elásticamente, ejerce una presión hidráulica entre

ellas formando una película fluida de un espesor mucho menor del que

tendría de aquella que se forma en un mecanismo, que funciona en

condiciones de lubricación fluida. El aumento de la viscosidad del

aceite ocasionado por la presión y la deformación elástica de las

superficies se combinan para atraparlo en el momento en que éste

penetra en la zona de contacto; la viscosidad del aceite puede llegar a

ser hasta cinco veces mayor del valor que tiene a la entrada de las



rugosidades. En consecuencia, la película lubricante puede desarrollar

presiones hasta de 24,608.5 kgf/cm2 (350,000 psi) [20].

La lubricación elastohidrodinámica (EHD) es el fenómeno que ocurre

cuando se introduce un lubricante entre superficies que están

sometidas a elevadas tensiones de contacto como es el caso de FCR en

este trabajo, y cuyo sistema de lubricación y selección de aceite se

verán en el capitulo V. IO 24 DE 2002

MEDELLÍN-COLOMBIA 3.2.3.1 EFECTOS QUE CONTRIBUYEN A LA GENERACIÓN DE

PELÍCULAS ELASTOHIDRODINÁMICAS

Los tres efectos que juegan un mayor papel en la formación de

películas en el régimen de lubricación elastohidrodinámico son:

• la formación de la película hidrodinámica,

• la modificación de la geometría de la película por deformación elástica,

• la transformación de la viscosidad y reología del lubricante

sometido a presión.

Éstos, actúan simultáneamente y causan la generación de películas

mencionadas.



• Formación de la Película hidrodinámica

La geometría de las superficies interactuantes en los contactos

Hertzianos contienen cuñas convergentes y divergentes para que

alguna forma de lubricación hidrodinámica ocurra.

En la hidrodinámica clásica, la geometría del contacto y la viscosidad

del lubricante son una función de la presión hidrodinámica. Es por

consiguiente imposible especificar una geometría de la película y

viscosidad precisamente antes de proceder a resolver la ecuación de

Reynolds.

• Modificación de la Geometría de la Película por Deformación

Elástica

Para todos los materiales cualquiera sea su módulo de elasticidad, las

superficies en un contacto Hertziano, deforman elásticamente. Su

efecto principal de deformación elástica en el perfil de película de

lubricante, es interponer una región central de superficies cuasi-

paralelas entre las cuñas de entrada y de salida.

El perfil de la película en la dirección ' x´ se da por:

gef hhhh ++= (3.1)

donde:

h = perfil de película;



hf : es constante [m];

he : es la deformación elástica combinada de los sólidos [m]

hg : es la separación debido a la geometría de los sólidos no

deformados [m]

• Transformación de la viscosidad del lubricante y reología bajo

presión

La geometría no-conforme de las superficies en contacto, causa una

concentración intensa de carga sobre de una área muy pequeña para

todos los contactos Hertzianos de uso práctico. Cuando un líquido

separa dos superficies, las presiones extremas muchas veces son más

grandes que aquellas encontradas en lubricación hidrodinámica, y son

inevitables. Presiones del lubricante de 1 a 4 [GPa] son encontradas en

elementos mecánicos típicos como engranajes. La viscosidad del aceite

y muchos otros lubricantes aumenta dramáticamente con la presión.

Este fenómeno es conocido como piezoviscosidad. La relación

viscosidad-presión es usualmente descrita por una conveniente pero

aproximada ecuación matemática conocida como la Ley de Barus [

13]:

pp e ∗∗= αηη 0 (3.2)

donde:

ηp : es la viscosidad del lubricante a una presión ' p ' y a una

temperatura ' θ ' [Pa];



η0 : es la viscosidad a la presión atmosférica y a una temperatura ' θ '

[Pa];

α : es el coeficiente de presión-viscosidad [m2/N]

Como un ejemplo del efecto radical de la presión en la viscosidad, se

ha informado que presiones de contacto de aproximadamente 1

[GPa], la viscosidad de un aceite mineral puede aumentar por un factor

de 1 millón (106) de su valor original a la presión atmosférica.

Para superficies suficientemente duras en el contacto, la presión del

lubricante puede elevarse a niveles aún más grandes, y la pregunta ¿de

que si hay un límite en el aumento de la viscosidad?, se vuelve

pertinente. La respuesta es que efectivamente hay una constricción,

donde el lubricante deja su carácter líquido para convertirse en semi-

sólido.

3.2.3.2 ESPESOR DE LA PELÍCULA ELASTOHIDRODINÁMICA

Ecuación de Hamrock-Dowson

Sobre la base del análisis numérico, Hamrock y Dowson han

establecido la siguiente ecuación en 1977, para calcular el espesor de la

película de lubricante mínimo para un contacto hidrodinámico,

completamente sumergido [21].



Una solución aproximada para el espesor de película

elastohidrodinámica como una función de la carga, velocidad de

rodadura y otras variables controladas es expuesta a continuación. La

expresión de Hamrock y Dowson para el espesor de la película es

relativamente exacta. Por estas razones, la ecuación de Grubin se

deriva en esta sección, para ilustrar los principios de cómo el espesor

de película elastohidrodinámica es determinado en función de ciertos

factores relevantes.

Hmin = 3.63 U0.68 G0.49 W-0.073 (1-e-068k) (3.3)

donde:

Hmin espesor de película mínimo adimensional

Hmin=hmin/Rx (3.4)

hmin espesor mínimo de película, [m]

Rx=(1/rax)+(1/rbx) (3.5)

rax, rbx radio de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de

contacto en el plano y=0, [m]

U parámetro de velocidad adimensional

U=(η0u)/(E'Rx) (3.6)

η0 viscosidad atmosférica, [Ns/m2]

u velocidad superficial en la dirección x, [m/s]



u=(ua+ub)/2 (3.7)

ua velocidad superficial del cuerpo a en la dirección x, [m/s]

ub velocidad superficial del cuerpo b en la dirección x, [m/s]

E' módulo elástico efectivo, [N/m2]

E'=E/(1-ν2) (3.8)

E módulo elástico, [N/m2]

V coeficiente de Poisson

G parámetro de materiales adimensional

G= αE' (3.9)

Α coeficiente presión-viscosidad, [m2/N]

W parámetro de carga adimensional

W=P/(E'Rx2) (3.10)

P carga normal, [N]

K parámetro de elipticidad

k=a/b (3.11)

una buena aproximación para calcular k es dada por Brewe y Hamrock

como [21]:

k=1.0339 (Ry/Rx)0.636 (3.12)



Ry-1=(1/ray)+(1/rby) (3.13)

ray, rby- radios de curvatura del cuerpo a y el cuerpo b en el punto de

contacto en el plano x=0, [m]

Hamrock y Dowson, han podido demostrar con la expresión anterior

que las películas de aceite con espesor suficiente para separar

superficies de ingeniería típicas existen en contactos puntuales

concentrados. Los valores de espesor de la película proporcionados por

esta fórmula aproximada, son sorprendentemente exactos. Los efectos

relativos de carga, velocidad rodadura y dependencia de presión-

viscosidad son mostrados en términos de índices que corresponde

estrechamente a los análisis más exactos. Asimismo, han asumido que

el contacto es ' totalmente sumergido', es decir los elementos rodantes

se mueven en un baño de aceite.

CAPÍTULO IV DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA Y TIPOS DE ENSAYOS


CAPÍTULO IV

DESGASTE POR FATIGA DE

CONTACTO DE RODADURA Y

TIPOS DE ENSAYO



4.1 MECANISMOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR

RODADURA.

Debido a la acción de cargas cíclicas, a las que son sometidos los

materiales, las fisuras pueden iniciarse como resultado de deformación

plástica del mismo. Aún si las tensiones nominales son bastante

menores que el límite elástico del material, localmente las tensiones

pueden ser superiores a la de fluencia debido a concentraciones de

tensiones en inclusiones o fallas mecánicas. Consecuentemente, la

deformación plástica ocurre localmente en una microescala, pero

insuficiente para mostrar en términos ingenieriles.

En consecuencia, el proceso de FCR puede resumirse en los siguientes

pasos:

1. Apilamiento de dislocaciones sobre inclusiones, provocado por

tensiones repetitivas. Apilamiento de dislocaciones en la superficie

(intrusiones y extrusiones).

2. Nucleación de huecos o micro-fisuras.

3. Propagación de fisuras.



4. Unión de fisuras sub-superficiales y cambio en la dirección de

propagación hacia la superficie.

5. Creación de escamas, huecos o astillas (pits o spalls).

6. Avance del daño hacia porciones adyacentes de la superficie.

7. Iniciación de macro fisuras por fatiga a partir del defecto superficial

producido por el astillamiento.

4.1.1 MODOS DE FALLA EN FATIGA DE CONTACTO POR

RODADURA

De acuerdo a la calidad metalúrgica del material empleado y a los

parámetros operativos de los elementos mecánicos sometidos a FCR, se

observan tres modos de falla [22] :

Modo Sub-superficial Temprano. Tiene lugar cuando se utilizan

materiales de baja calidad metalúrgica en los que existen inclusiones

metálicas y no metálicas en condiciones tales que las partes son

totalmente separadas por la película lubricante. Debido a que las

superficies no entran en contacto, sino a través de dicha película, las

tensiones de corte que actúan por debajo de la superficie juegan un

papel muy importante, actuando sobre las discontinuidades

metalúrgicas. Varios estudios han demostrado el efecto pernicioso que



tienen las inclusiones mencionadas para la nucleación de fisuras, en

aceros sometidos a FCR.

Modo Sub-superficial Tardío. Tiende a reemplazar al modo de falla

anterior, debido a la aparición de las técnicas modernas para la

fabricación de aceros que permiten obtener un material prácticamente

libre de inclusiones. El deterioro se produce por el aumento del

número de ciclos de aproximadamente >108 de carga, lo que conduce a

la descomposición o degradación gradual del material por efecto de las

tensiones aplicadas. Estas, entregan la cantidad de energía necesaria

para ocasionar cambios microestructurales:

• Efectos de ataque químico, definidos como “regiones oscuras al

ataque”, “bandas de ataque blancas” (a 30 y luego a 80 grados de

inclinación) [23]

• Desarrollo de textura [24]

• Modificación de las tensiones residuales en todas las direcciones y

con preferencia en la región subsuperficial

• Transformación de la austenita retenida

Modo Superficial Temprano. Aparece, cuando el aumento de la

solicitación mecánica hace que la película de aceite lubricante sea de

menor espesor y entonces más frecuente su colapso. Por lo tanto, las

superficies trabajan más próximas una de otra, hasta cierto nivel de

carga aplicada, produciéndose el contacto metálico. No sólo las micro-



asperezas entran en contacto, sino también las partículas de desgaste

incorporadas al aceite pueden quedar atrapadas por el huelgo entre las

superficies, incrustándose, rayando o indentando a las mismas. El

contacto de los elementos rodantes sobre las zonas dañadas, está sujeto

a valores de tensión que duplican o triplican la tensión hertziana del

macro-contacto. Las fisuras nucleadas en la superficie, permiten el

ingreso del aceite, generándose una presión hidrostática que tiende a

abrir la punta de la fisura en modo I. La rodadura repetida sobre los

defectos superficiales produce la acumulación de micro-plasticidad

localizada y posterior nucleación de una astilla, dando origen a una

falla. Aquí pueden incluirse también, a los elementos que trabajan en

condiciones marginales, debido a una lubricación incorrecta, lubricante

contaminado (con partículas de desgaste, agua o combustible), elevada

fricción (temperatura) o alta carga.

Ésta es una síntesis de varios modelos propuestos en la literatura y que

pueden dar una apreciación del mecanismo de nucleación de fisura por

FCR, todos ellos suficientes para un estudio de los principios de la

mecánica de fractura lineal elástica; es decir, un método para

determinar la vida remanente de una probeta después de que se

descubre una fisura [22].



4.2 FACTORES QUE AFECTAN LA RESISTENCIA A LA FCR

4.2.1 RUGOSIDAD

Figura 4-1. Acabado superficial utilizando diferentes procedimientos mecánicos.

Se ha mencionado con anterioridad que un elemento particularmente

importante, en la resistencia a la FCR de rodamientos, es la

terminación de las superficies de rodadura. Los elementos rodantes se

calculan a partir de lo que se llama “área aparente de contacto”, pero

debido a las micro-asperezas generadas en la operación de rectificado,

existe un “área real de contacto”. Ésta es mucho menor que el área

aparente, lo que hace aumentar la tensión de contacto. Por lo tanto, el

picado se produce a menudo en aquellas zonas donde por efecto de

Superacabado

Pulido

Rectificado fino

Ra

Ra

Ra



una mala terminación superficial, la superficie real, no es la calculada

en el diseño.

Figura 4-2. Tensiones residuales introducidas por el proceso de acabado mecánico.

La rugosidad se encuentra generalmente representada por el valor Ra,

o rugosidad media aritmética, pero este valor no tiene en cuenta otras

características geométricas importantes de la superficie. Una de ellas es

la superficie portante o superficie real de contacto. La figura 4-1,

muestra diversas superficies, con valores Ra similares, pero con

diferentes superficies portantes. Debe recordarse que tampoco resulta

eficiente una superficie extremadamente lisa, ya que el lubricante

escurre entre los cuerpos en contacto sometidos a presión, existiendo la

posibilidad del contacto metal-metal. Una rugosidad superficial

Profundidad

Profundidad

Superacabado

Pulido

Rectificado fino

Tracción

Comp.

Tracción

Comp.

Tracción

Comp.

Profundidad

Profundidad

Profundidad



adecuada actúa como receptáculo para el aceite y a la vez produce un

efecto hidrodinámico.

Las características superficiales dependen directamente del proceso

final de mecanizado. Un aspecto muy importante a considerar en el

proceso de fabricación, es la introducción de tensiones residuales

superficiales. La figura 4-2 muestra en forma cualitativa, los perfiles de

distribución para la tensión residual, introducidos por diferentes

procesos mecánicos de acabado superficial. Dichas tensiones, al

superponerse a los esfuerzos de tracción impuestos por la solicitación

en servicio, hacen disminuir la tensión neta aplicada.

4.2.2 ENDURECIMIENTO SUPERFICIAL

El endurecimiento superficial de los elementos sometidos a FCR, es

una herramienta muy eficaz para combatir la falla. Las técnicas más

empleadas hoy en día son: cementado, nitrurado, carbonitrurado, etc.,

las que además de aumentar la resistencia (kk) de las capas

superficiales, generan tensiones residuales de compresión.

Al describir la distribución de las tensiones en la región próxima al

área de contacto, se observó, que la zona más desfavorable es aquélla

donde se localizan las máximas tensiones de corte, es decir, la que se

encuentra por debajo de la superficie a una distancia aproximada de

a/2, como se observa en la figura 2-3 (capitulo II). Por lo tanto, será



necesario que el tratamiento superficial utilizado, sea de una

profundidad superior a la que aparece el estado tensional más

desfavorable. Este tipo de prácticas puede resultar perjudicial, si no se

alcanza la profundidad de tratamiento adecuada. Además es

importante la dureza del corazón, para que la resistencia resultante sea

superior a la tensión aplicada en todo el volumen de la pieza.

Los materiales comúnmente utilizados en la actualidad, poseen una

elevada calidad metalúrgica y resistencia mecánica, haciendo que el

corazón de los componentes sea capaz de resistir los esfuerzos

aplicados en la región de los esfuerzos de corte máximos. La aparición

en los últimos tiempos, de fallas según el modo superficial temprano, ha

derivado en la experimentación con tratamientos superficiales

delgados. Estos, tienen un espesor delgado <<a/2, tienen como

finalidad aumentar la resistencia a la nucleación y propagación de la

falla en la región superficial. De esta forma se aumenta la resistencia a

la nucleación de la falla, debida a la interacción entre micro-asperezas

o partículas de desgaste en el aceite en contactos altamente solicitados.

4.2.3 RESISTENCIA EN LA SUPERFICIE

El desgaste por Fatiga de Contacto por Rodadura se manifiesta por el

desprendimiento de material, que produce cavidades o micro-

cavidades en la superficie de rodadura, conocidas como pits o spalls.

Se debe tener en cuenta que la FCR presenta los siguientes síntomas:



• ruido progresivo

• calentamiento progresivo

• aumento de la vibración

• incremento de partículas de desgaste en el aceite

• defectos periódicos en productos laminados, etc.

Estas, involucran magnitudes medibles, consecuentemente ha

posibilitado el desarrollo de una máquina para ensayos de tribología

que permita estudiar el comportamiento de ciertos materiales frente a

dicho fenómeno.

4.3 PREDICCIÓN DE LA VIDA Y EL MODO DE FALLA EN FCR

El modo de falla en FCR, puede predecirse mediante el uso del

“coeficiente de espesor de película lubricante” (λ). Este, se obtiene de la

razón entre el espesor de película lubricante, h0 y la rugosidad

compuesta de las superficies en contacto, σ1 y σ2; Ec. 4.1.

donde:

h0 = espesor mínimo de la película lubricante.

1σ = rugosidad de la muestra.

2σ = rugosidad de la bola

22

21

0

σσλ

+=

h (4.1)



El coeficiente λ, es una medida de la probabilidad de interacción de las

micro-asperezas. Valores λ>3, indican que no se producirá contacto

entre las superficies, por lo tanto son completamente separadas por el

lubricante. Debe recordarse que en estas condiciones es aplicable la

teoría de Hertz, por ello, la falla se debe ya sea por el modo sub-

superficial temprano, o según el modo sub-superficial tardío. Valores λ<2,

predicen un aumento en la probabilidad de interacción de las micro

asperezas, la cual se vuelve más severa en la medida que λ disminuye.

En estas condiciones la nucleación de la falla si ocasiona el modo

superficial temprano [22] .

En la figura 4-4, se observa la variación del coeficiente λ y su relación

con la vida a la FCR. La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la

vida de catálogo de los rodamientos de acuerdo a su coeficiente λ

esperado. La curva ASME, surge del promedio de las curvas de Skurka

y Tallian. Ensayos de FCR realizados para evaluar la influencia de la

rugosidad, muestran que la variación de la vida para valores λ<1, se

ajusta más a la curva propuesta por Tallian. Es decir, una importante

reducción de la vida, para una disminución pequeña del factor λ [25].



Figura 4-4. Coeficiente de espesor de película lubricante y su relación con la vida a la FCR La guía de diseño de ASME recomienda ajustar la vida de catálogo de los

rodamientos de acuerdo al factor λ esperado. La curva ASME es el promedio de las curvas de Skurka y Tallian (Ref. Rowe, 1981).

El cálculo de λ, parece ser una forma sencilla de verificación, pero debe

tenerse cuidado en la selección de los métodos utilizados para la

medición de las variables involucradas. Aunque existen diversas

aproximaciones relativamente sencillas, la fórmula de Hamrock y

Dowson es la más difundida en la actualidad para calcular h0 en

contactos lubricados por el mecanismo elasto-hidrodinámico. En lo que

respecta a medición de la rugosidad, debe tenerse en cuenta como

requisito básico la dirección de rodadura y las dimensiones del área de

contacto.

Curva ASME Recomendada

Skurka

Tallian (SKF)

1.0 2.0 4 6 8 10Coef. de Película Lubricante - λ

3.5

3.0

2.5

2.0

1.5

1.0

0.5

0

Vida

Relativa



4.4 FALLA EN ELEMENTOS SOMETIDOS A FCR En general las condiciones de operación se apartan de aquellas supuestas en el diseño, resultando en la aplicación de tensiones que el material no es capaz de soportar. Las siguientes son causa de sobretensiones [26]:

1. La carga real excede el valor esperado. • La condición de operación no fue correctamente evaluada en el

diseño. • Sobrecargas desconocidas debido a vibraciones o impacto en la

maquinaria adjunta. • Incremento de la carga dinámica debida a errores en los dientes (o

de forma en rodamientos o levas).

2. La carga real fue bien calculada pero no está uniformemente repartida.

• Error en los perfiles de dientes (o de forma). • Error de alineación, o por deflexiones del eje. • Ubicación incorrecta del eje en engranajes cónicos o tornillo sin-fín. • Deformación de elementos con insuficiente ajuste por interferencia.

3. Introducción de tensiones residuales. • Apriete excesivo en ajustes por interferencia. • Tensiones residuales de tracción en tratamientos superficiales

incorrectos. 4. La tensión nominal se ve incrementada debido a discontinuidades

geométricas. • Pobre terminación superficial.



• Indentaciones producidas por partículas de desgaste. • Fisuras por rectificado. • Identificaciones estampadas en los extremos.

5. El material no es capaz de resistir las tensiones aplicadas. • utilización accidental de material inadecuado. • material por debajo de la especificación o con tratamiento térmico

incorrecto. • Discontinuidades internas del material. • Descarburizado. • Inadecuada dureza o profundidad del tratamiento superficial. • Cambios en la resistencia debido a temperaturas excesivas. • El lubricante no cumple adecuadamente su función. 6. Daño producido por descuidos en el montaje, instalación u

operación. • Alineación incorrecta de máquinas interactuantes. • Problemas de lubricación, viscosidad, filtro, contaminantes. • Elementos olvidados o que ingresaron en el cárter de la máquina

(arena, tornillos, tuercas, fibras, etc.). 4.5 DIEFERENTES MÉTODOS DE ENSAYO DE FCR

Debido a que la FCR es un proceso primario para la producción de

desgaste, numerosas máquinas de ensayo, métodos, y formas de

procesar los datos correspondientes han sido desarrollados; sin

embargo, los ensayos no están normalizados por ningún estándar

internacional, por lo que no está disponible ninguna metodología

general sobre la cual regirse, y dado que lo que se busca es reflejar en el



laboratorio las condiciones operativas reales, cada configuración

aporta una solución distinta al respecto, pero siguiendo ciertos

lineamientos.

La influencia combinada de importantes factores operacionales y

ambientales requiere que los ensayos de laboratorio sean conducidos

por las condiciones que simulen tanto como sea posible el ambiente de

servicio esperado y que un suficiente número de ensayos sean

desarrollados para evaluar la dispersión de la vida a la fatiga.

Lo más importante en ensayos de laboratorio, donde el desarrollo de la

tecnología de cojinetes, es aspirar a su desempeño óptimo, por ello,

son adecuados equipos, procedimientos de ensayo y análisis de datos

de los resultados proporcionados por ellos.

Conceptos de Diseño

Las máquinas de ensayo de resistencia, deben ser capaces de someter a

los cojinetes de ensayo a condiciones de operación realistas. Donde se

deben incluir la magnitud y tipo de carga, la velocidad, el modo de

lubricación, y la temperatura. En conjunción con las condiciones de

ensayo, el tipo y tamaño del cojinete determina el tamaño total del

equipo de ensayo y sistema de mando.



Para que la evaluación de FCR sea efectiva las siguientes tres

condiciones son necesarias:

1. Debe ser empleado el equipamiento adecuado.

2. Apropiadas condiciones y procedimientos de ensayo son necesarios

para ser implementados y controlados.

3. Los resultados de los ensayos necesitan ser apropiadamente

analizados para realizar evaluaciones genuinas y significativas.

Los arreglos básicos empleados en la mayoría de los equipos de ensayo

estándard incluyen una estructura estacionaria, una estructura de

alojamiento móvil, un eje de ensayo simple sobre el cual los cojinetes

de ensayo son montados. La figura 4-5 ilustra los distintos arreglos

usados para las diferentes condiciones de carga como sigue: (a) un

arreglo de cuatro cojinetes para carga radial solamente, (b) un diseño

de tres cojinetes para carga combinada, y (c) un equipo de dos cojinetes

para carga de empuje solamente.



Figura 4-5. Distintos arreglos de máquinas para ensayos de FCR

Sobre un período de tiempo, ha habido al menos 20 diferentes equipos

de ensayo de elementos a FCR. Algunos de estos diseños son muy

similares unos a otros. Generalmente, estos equipos entran dentro de

una de las siguientes categorías:

1. Dos superficies cilíndricas rodando una contra otra bajo carga, o

rodillos o esferas que funcionan contra una superficie cilíndrica o

plana.

2. Una esfera o rodillo o un espécimen de pequeño diámetro es

cargado entre dos discos de mucho mayor diámetro. En algunos

equipos el cilindro de ensayo es girado; en otros uno o ambos discos

son girados.



3. Una esfera o espécimen cónico es rodado bajo contacto angular

contra tres o cuatro bolas rodando en una pista.

4.6 MÁQUINAS DE ENSAYOS

Existen diferentes configuraciones de equipos para ensayos de FCR.

Cada una de estas configuraciones corresponden a una manera

diferente de simular el desgaste ocasionado. A continuación se detallan

someramente las más relevantes y que sirvieron para determinar los

lineamientos de este proyecto [ 10].

4.6.1 MÁQUINA DE ENSAYO DE CINCO-BOLAS DESARROLLADA EN LA “NASA“ Consta de cuatro bolas rodando libremente separadas 90°, sostenidas

por un separador. La probeta es también una bola apoyada sobre las

cuatro bolas antes mencionadas. Simulan la cinemática de un rulemán

de empuje. El ángulo del contacto, entre la bolas, puede variarse. La

misma consta de un sensor de vibraciones para determinar el estado de

desgaste de la probeta. Este mismo es el encargado de finalizar el

ensayo una vez que el nivel de vibraciones alcanza el valor

determinado a priori. Se puede utilizar tanto para bajas (criogenia)

como para altas temperaturas (a 1000° C).



Figura 4-6. Esquema máquina de ensayo utilizada por la NASA 4.6.2 ENSAYOS EN UN PLANO SUMERGIDOS EN UN BAÑO DE ACEITE El mismo está compuesto por 16 bolas retenidas, las cuales ruedan en

un círculo con un diámetro externo de 75 mm, 50 mm diámetro interno

y 6.4 mm de espesor. El dispositivo está sumergido en un baño de

aceite. La tensión del contacto es de 4.17 GPa (aprox. 41700 Kg/cm2).

Gira a 1500 rev/min. El sistema entrega lubricante filtrado de

impurezas. El sensor del piezo-eléctrico evalúa el nivel de vibración

que se produce a medida que se realiza el ensayo.

4.6.3 APARATO PARA ENSAYOS DE MATERIALES NO METÁLICOS La probeta es un cilindro. Este se encuentra cargado en su generatriz

por bolas, las cuales se encuentran cargadas por casquillos. La carga se

Bola superior

Bolas inferiores (4)

Separador de bolas

Bola superior

Bolas inferiores (4)

Separador de bolas



aplica sobre el casquillo superior. La tensión de contacto es de

aproximadamente 4.5 GPa (45000 Kg/cm2). Gira a 1500 rev/min. El

sistema de alimentación de lubricante es por goteo. El sistema de

detección de falla es por vibración. Las termopares sensan la

temperatura, típicamente de 50-60 ºC.

4.6.4 MÁQUINA DE ENSAYOS PARA RODADURA DE CONTACTO Está compuesta de dos rodillos de forma toroidal que se cargan contra

una barra redonda, la cual es la probeta del material a ensayar. La

proporción de diámetro es de 40:1 . La tensión de carga es de 2.7-5.5

GPa (27000-55000 Kg/cm2). La velocidad de giro de la probeta es de

12,500 rev/min; El sistema de alimentación de lubricante es por goteo.

El sensor de velocidad-vibración evalúa ambos parámetros.

Figura 4-7. Esquema máquina de Ensayos de Contactos Rodantes



4.6.5 APARATO DE TRES BOLAS RODANDO DESARROLLADO POR “FEDERAL-MOGUL” Consta de tres bolas. La probeta es un superficie cilíndrica esbelta. Las

bolas son cargadas por resortes contra la generatriz de la probeta.

Marcando anillos sobre su superficie. La velocidad de giro es de 3600

rev/min. El acelerómetro se encuentra acoplado con un dispositivo de

corte, esté funciona cuando la magnitud medida alcanza el valor para

el que fue ajustado al comenzar el ensayo. El sistema de alimentación

de lubricante es por goteo. La tensión es típicamente 6 GPa (60000

Kg/cm2).

Figura 4-8. Esquema máquina de Ensayos de Tres Bolas Rodando

Desarrollado por Federal Mogul

Resorte de cargaResorte de carga



4.6.6 APARATO DE ENSAYOS DE CILINDRO Y ESFERA Este sistema está compuesto de un arreglo simétrico de dos bolas que

ruedan llevando consigo a un cilindro cautivo. En el que se encuentra

el material a ensayar. Se puede variar la carga por medio de una

palanca multiplicadora. El cilindro pequeño gira a 22,677 rev/min

sobre el otro cilindro. La lubricación es por salpicadura. La tensión de

contacto máxima es de 5.8 GPa (58000 Kg/cm2).

4.6.7 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CILINDRO-A-CILINDRO Esta configuración consta de un arreglo simétrico de dos cilindros, en

dos cilindros cautivos. Un resorte aplica la carga necesaria para realizar

el ensayo; la carga del resorte enrollado se realiza a través de una

palanca. La probeta es un cilindro pequeño, la que se encuentra

cargada por dos cilindros a lo largo de sus generatrices. La lubricación

es por salpicadura. La tensión de contacto es del orden de 4.4 GPa

(44000 Kg/cm2). Consta de un sensor de vibración.



Figura 4-9. Esquema máquina de Ensayos de Cilindros y Bolas

Figura 4-10. Esquema máquina de Ensayos de Cilindro a Cilindro

Rodillo giratorio

Especimen

Bola 19 mm

Rodillo guía

Rodillo guía

Rodillo giratorio

Especimen

Bola 19 mm

Rodillo guía

Rodillo guía

Rodillo superior

Especimen

Rodillo soporte

Cilindro

Rodillo inferior

Rodillo giratorio

Suministro de aceite

Rodillo superior

Especimen

Rodillo soporte

Cilindro

Rodillo inferior

Rodillo giratorio

Suministro de aceite



4.6.8 MÁQUINA DE ENSAYOS DE ANILLO CONTRA ANILLO En este sistema un par de anillos conforman el ensayo. Los anillos

ruedan y el contacto es periférico. Los diámetros de los anillos son de

50 y 53 mm. La configuración debe proveer una condición de rodadura

pura. Se obtienen diferentes grados de rodadura cambiando los

diámetros de los anillos. Giran típicamente a 2000 rev/min. La

proporción del contacto entre los anillos es medida por la resistencia

eléctrica entre ambos. El rango de tensión de contacto es típicamente

entre 0.98-3.9 GPa (9800-39000 Kg/cm2).

Figura 4-11. Esquema máquina de Ensayos de Anillo contra Anillo

Maximo diametro de salida, 40 mmRadio de curvatura, 50 mm

Especimén

Medidor de torque Tacometro

Contacto de mercurio

Tacometro


Maximo diametro de salida, 40 mmRadio de curvatura, 50 mm

Especimén

Medidor de torque Tacometro


Tacometro




4.6.9 APARATO DE ENSAYO DE RODAMIENTOS MÚLTIPLE

Consta de un eje el que gira típicamente a 3000 rev/min. Sobre este eje

se pueden colocar cuatro rulemanes, y proceder a ensayarlos a la vez.

Este ensayo a diferencia de los demás se destina sobre las líneas de

producción y con un uso específico. En cambio, las maquinas restantes

sirven para probar la resistencia al FCR de distintos materiales con

diferentes condiciones. La máxima tensión es de 2.9 GPa (29000

Kg/cm2). Los acelerómetros monitorean la falla sobre la carcasa

exterior del rulemán.

4.6.10 MÁQUINA DE ENSAYOS DE CUATRO-BOLAS RODANDO Se compone de un arreglo tetragonal de cuatro bolas. La bola de arriba

maneja tres bolas que se encuentran más abajo, éstas son libres para

rodar en el alojamiento. En tanto la carga se aplica verticalmente sobre

la bola superior. La velocidad de la bola superior es de 1500 rev/min.

Todas ellas tienen un diámetro de 12.5 mm; la carga aplicada

verticalmente es de 5.9 kN (1 325 lbf).



Figura 4-12. Esquema máquina de ensayo de cuatro bolas rodando

4.6.11 MÁQUINA DE ENSAYOS DE BOLAS EN DISCO INCLINADO

Figura 4-13. Esquema máquina de Ensayos de Bolas en Disco Inclinado

Cubierta

Chuck (colocado en el eje giratorio)

Lubricante a analizar

Pista de rodamiento

Carga

Rodamiento Espaciador

Cubierta

Chuck (colocado en el eje giratorio)

Lubricante a analizar

Pista de rodamiento

Carga

Rodamiento Espaciador

Bola especimén

Disco especimén

Bola especimén

Disco especimén



La probeta es un disco y una bola las cuales giran una sobre otra. La

bola gira sobre un disco a una velocidad de 7200 rev/min,

encontrándose a una temperatura de 800 ºC (1470 ºF). En tanto el disco

se desplaza con una velocidad de 3600 rev/min; las proporciones del

deslizamiento/rodadura son inconstantes; diseñado para materiales

cerámicos.

CAPÍTULO V DISEÑO DEL PROTOTIPO TRIBOLÓGICO PARA MEDIR FCR


90

CAPÍTULO V

DISEÑO DEL PROTOTIPO

PARA MEDIR FCR



91

5.1 METODOLOGÍA DE DISEÑO QFD En este capitulo, se desarrolla la metodología QFD (Quality Function

Deployment), para el diseño de un equipo destinado a evaluar la

resistencia la fatiga de contacto por rodadura. El equipo de ensayos

permitirá alcanzar, objetivos tales como: alta velocidad de ensayo, bajo

costo de fabricación de muestras y reposición de contramuestras,

facilidad de montaje y detección de la falla a través de la medición de

vibraciones.

Para llevar a cabo la realización de esta tarea, se acudirá a diferentes

fuentes bibliográficas las cuales serán de vital importancia para este

trabajo, así como a la experiencia previa que se tiene en la construcción

de otros prototipos utilizados en el laboratorio de tribología de la SEPI-

ESIME y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Mar

del Plata.

El desarrollo de la máquina para ensayo tribológico para evaluar la

fatiga de contacto por rodadura se justifica por las siguientes razones:

• Es un problema de ingeniería que requiere de diseño. • Es necesario tener la máquina para continuar con el estudio y la

investigación que concierne a la tribología. • La SEPI-ESIME tiene el compromiso de estar a la vanguardia con

la tecnología de punta en lo relacionado con el estudio de la fatiga de contacto por rodadura.



92

5.1.2 IDENTIFICACIÓN DEL CLIENTE La primera tarea del equipo de diseño, al aplicar la metodología QFD,

es la identificación del cliente. Si los requerimientos y expectativas son

los datos de entrada para la aplicación de dicho método, es natural que

debe definirse primero quién o quienes se deben considerar como

clientes [27].

Algunos productos pueden diseñarse en base a los requerimientos de

un solo cliente. Sin embargo, lo más común es que existan varios de

ellos, cuyos requerimientos deben identificarse para dirigir los

esfuerzos de diseño tomándolos como ejes directores.

Lo importante es que los integrantes del equipo de diseño no suponga

cuales son los requerimientos y expectativas de los clientes. La

percepción que estos puedan tener sobre el problema, no corresponda

a los deseos reales de los clientes.

A continuación, se presenta los requerimientos para la identificación

del cliente:

Cliente que adquiere el producto: Laboratorio de tribología, SEPI, ESIME Unidad IPN ZACATENCO. Ubicada en: IPN S/N Col. Lindavista, Del. Gustavo A. Madero, México D.F.



93

Cliente externo: Usuario: Alumnos, maestros e investigadores de nivel licenciatura y postgrado. Comprador: Laboratorio de tribología. Transporte: no existe problema de transporte, se puede transportar fácilmente en una camioneta pick-up. Cliente interno: Responsable del laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME: Dr. Manuel Vite Torres. Patrocinadores: IPN. Producción: Taller de máquinas herramientas de ESIME Zacatenco,

maquinado externo. Ensamble: Laboratorio de Tribología. Servicio: Pruebas en el laboratorio de tribología. 5.1.3 DETERMINACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS Y EXPECTATIVAS DEL CLIENTE. Los requerimientos del cliente se catalogan en dos grupos [28]:

1. Requerimientos obligatorios. 2. Requerimientos deseables.

Requerimientos obligatorios: Se entiende como requerimientos obligatorios, aquellos, cuyo

cumplimiento es indispensable; sin ellos, el producto no podrá

considerarse satisfactorio en ningún grado. Para este trabajo se

mencionan los siguientes:

A) Alta velocidad de ensayo.



94

B) Sencillez.

C) Confiabilidad.

D) Bajo costo de construcción.

E) Diferentes cargas de ensayo.

F) Seguridad del equipo durante su funcionamiento.

G) Facilidad de operación.

H) Evitar vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el ensayo.

I) Que tenga repetibilidad.

Requerimientos deseables:

Los requerimientos deseables son aquellos que admiten cierta

flexibilidad, de manera que su cumplimiento pueda ser parcial, en

caso, de que no se cumpla en su totalidad, el producto puede

considerarse aún como satisfactorio.

Entre los requerimientos deseables del prototipo se pueden mencionar

los siguientes:

a) Bajo costo de fabricación de muestras. b) Bajo costo de reposición de contramuestras.



95

c) Bajo costo de mantenimiento. d) El maquinado sea con máquinas convencionales.

e) Sea fácil de transportar.

f) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de

3 años mínimo. 5.1.4 PONDERACIÓN DE LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE.

Para determinar la importancia y expectativas del cliente, el primer

paso consiste en separar los requerimientos obligatorios de los

deseables. A los primeros, se les asigna el mismo grado de prioridad,

es decir todos ellos tienen el mismo grado de importancia, por ende,

debe asegurarse su cumplimiento total. La verdadera ponderación se

aplica a los requerimientos deseables. Para ellos, se recomienda la

aplicación de la comparación por pares. El procedimiento, consiste en

comparación de cada uno de los requerimientos con el resto. Esta, debe

hacerse sobre la base de que al requerimiento más importante, se le

antepone el signo (+), en caso de que sea menos importante, el signo

(-). En consecuencia, dos requerimientos no pueden tener el mismo

grado de importancia. A continuación, en la tabla 5-1, se muestran los

resultados de la evaluación efectuada al prototipo desarrollado.

El valor de la importancia relativa (Ir) se calcula por: Ir=(Σ/Σtotal)x100



96

Tabla 5-1 Ponderación de los requerimientos deseables del cliente.

a b c d e F Σ(+) Ir (%) a 0 + + + + + 5 33.33 b - 0 - + + + 3 20 c - + 0 + + + 4 26.66 d - - - 0 + - 1 6.666 e - - - - 0 - 0 0 f - - - + + 0 2 13.33 Σ=15 Σ=99.98

Los resultados de la tabla anterior, se ordenan de acuerdo a su grado

de importancia, de la siguiente manera:

1) Requerimiento (a), bajo costo de fabricación de muestras. 2) Requerimiento (c), bajo costo de reposición de contramuestras.

3) Requerimiento (b), bajo costo de mantenimiento.

4) Requerimiento (f), que la vida útil de los componentes

principales mecánicos sea de 3 años mínimo.

5) Requerimiento (d), el maquinado sea con máquinas universales.

6) Requerimiento (e), que sea fácil de transportar. 5.1.5 ESTUDIO COMPARATIVO CON LOS PRODUCTOS DE LA COMPETENCIA. Este estudio, consiste en analizar los productos de la competencia, para

determinar en que grado satisfacen todos los requerimientos y

expectativas de los clientes. Asimismo, permite evaluar procesos y



97

sistemas para mejorar la calidad, productividad y crecimiento de las

empresas. La forma de efectuar la comparación , es asignando una

escala numérica, la cual representa el grado de satisfacción que brinda

el producto a cada uno de los requerimientos, tanto obligatorios como

deseables del cliente.

La escala de grado de satisfacción se puede asignar de la siguiente

forma:

1) El diseño no cumple en absoluto con el requerimiento.

2) El diseño cumple ligeramente con el requerimiento.

3) El diseño cumple medianamente con el requerimiento.

4) El diseño cumple casi en su totalidad con el requerimiento.

5) El diseño cumple en su totalidad con el requerimiento.

Debido a que este es un diseño único, sin regimiento de normas, no es

posible compararlo con otro similar en el mercado.

Sin embargo, a partir de este se pueden implementar nuevas normas

para diseños futuros.



98

5.1.6 TRADUCIR LOS REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE EN TÉRMINOS MENSURABLES DE INGENIERÍA.

La metodología QFD, busca integrar los requerimientos del cliente con

el proceso de diseño, es decir, se trata de convertir un lenguaje, que en

un alto porcentaje es subjetivo, en otro que sea concreto y se pueda

medir. En algunos casos, los requerimientos están planteados en

términos técnicos perfectamente mensurables, para los cuales no es

necesario hacer ninguna traducción. En la tabla 5-2, se presenta la

traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables;

también son conocidos como: “Especificaciones de Diseño”.

Tabla 5-2 Traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

REQUERIMIENTOS TECNICOS

UNIDAD DE MEDICION

A) Alta velocidad de ensayo.

Velocidad de ensayo RPM

B) Sencillez. Mínimo de piezas posibles

No. Piezas

C) Confiabilidad. Pruebas defectuosas x 100 Pruebas totales

% Pruebas defectuosas

D) Bajo costo de construcción.

Costo $M.N.

E) Cargas de ensayo.

Carga de ensayo Newtons

F) Seguridad del equipo durante su funcionamiento.

Escolaridad del usuario

Factor de seguridad

Grado escolar

Adimensional

G) Facilidad de operación



99

H) Evitar al máximo vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el ensayo

Nivel de vibración 2.2- 3.6 Gs

I) Que tenga repetibilidad

Duración de las pruebas

Horas

a) Bajo costo de fabricación de muestras.

Precio de materiales y maquinado

$ M.N.

b) Bajo costo de reposición de contramuestras.


$M.N.

c) Bajo costo de mantenimiento.

Costo de mantenimiento

$M.N.

d) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo.

Vida útil de componentes

Años

e) El maquinado sea con máquinas convencionales.

Maquinado Horas

f) Que sea fácil de transportar.

Que no sea voluminoso Metros cúbicos

5.1.6.1 TRADUCCIÓN DE REQUERIMIENTOS QUE SE DERIVAN

DE AQUELLOS QUE NO SON DIRECTAMENTE MENSURABLES.


• Que no cause fatiga mental ni física el uso de la máquina.



100

H) Evitar al máximo vibraciones entre la muestra y la contramuestra

durante el ensayo.

• Cuando el sistema este en estado dinámico no debe vibrar

ninguna de las partes de la máquina y menos la muestra y la

contramuestra.


• Siempre que se realiza un ensayo los resultados sean confiables

una y otra vez.

5.1.7 ESTABLECER LAS METAS DE DISEÑO.

Este es el último paso de la metodología QFD, que consiste en fijar las

metas de diseño. Cada una de ellas, debe expresar una característica

mensurable del producto, como es:

A) Alta velocidad de ensayo, hasta 2000 RPM.

B) Sencillez de la máquina con el mínimo de piezas posible.

C) Confiabilidad con el 5% de pruebas defectuosas.

D) Bajo costo de construcción entre 5000 y 9000 pesos.

E) Cargas de ensayo entre 0 y 250 N.

F) Grado escolar de Técnico para el usuario y un factor de seguridad

alto para la máquina durante su funcionamiento.


H) Evitar vibraciones entre la muestra y la contramuestra durante el

ensayo.



101


a) Bajo costo de fabricación de muestras.

b) Bajo costo de reposición de contramuestras. c) Bajo costo de mantenimiento. d) Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo. e) El maquinado sea con máquinas convencionales. f) Que sea fácil de transportar.

La información generada en los pasos 5 y 6 del QFD, deben integrarse

al gráfico de las funciones de calidad, como se muestra en la tabla 4-3.

Esta información corresponde a la parte técnica y se utiliza de manera

condensada las características que deben poseer el prototipo

propuesto.

En la parte superior, se registran los términos mensurables en que

fueron traducidos los requerimientos del cliente. En la parte inferior, se

anotan las metas de diseño, expresadas mediante valores y unidades

de medición de cada una de las características técnicas que se pretende

obtener mediante el proceso de diseño. En esta parte del grafico, se

puede registrar, a modo de referencia, los valores obtenidos del

estudio comparativo a productos de la competencia. En la parte central



102

del plano, se anota la relación que existe entre los requerimientos del

cliente y los términos mensurables. Puede no existir relación, en tal

caso el espacio se deja en blanco. Normalmente , se utiliza un número o

un símbolo para expresar el grado de relación entre los requerimientos.

Para estos vínculos, se establece la siguiente escala de valores:

9 = Fuerte relación

3 = Mediana relación

1 = Relación débil

Correlaciones: O = Positiva X = Negativa

5.2 DISEÑO CONCEPTUAL

La metodología descrita por el despliegue de las funciones de calidad

es una poderosa herramienta que permite asimilar y entender un

problema de diseño. Se trata de aprovechar esa comprensión, para

generar conceptos de productos que cumplan con los requerimientos

de calidad que se identificaron con el cliente. Dentro del diseño

conceptual, se desarrollan las ideas fundamentales del producto. Un

concepto es una idea que puede representarse mediante un esquema,

croquis, diagrama, bosquejo o un modelo tridimensional aproximado.

Este último, describe de manera aproximada el tipo de tecnología, los

principios de funcionamiento y la forma general del producto. Algunos



103

conceptos, se van generando de forma natural, a medida que se

desarrolla la metodología del QFD. Particularmente, por el

conocimiento que se tiene de productos que cumplen con

requerimientos semejantes a los que se han identificado. No es extraño,

que muchos diseñadores se inclinen por una idea que más les agrade y

comiencen a desarrollarla detalladamente. Sin embargo, es una

metodología no recomendable que se expresa mejor con el siguiente

adagio: “si se genera una idea es probable que sea mala; si se generan

veinte, probablemente una de ellas sea buena idea”.

5.2.1 METODOLOGÍA DEL DISEÑO CONCEPTUAL.

La metodología en esta etapa, se basa en una estrategia muy simple, es

decir, la estructura o la forma de la función. Esto, significa que antes de

comenzar con una definición de las formas, es necesario tener

identificadas todas las funciones que debe realizar el producto para

que responda a las expectativas del cliente. En otras palabras, primero

debe definirse el qué, y luego el cómo. El qué, representa a la función, en

tanto el cómo, a la forma o a la estructura. A manera esquemática, este

tipo de metodología conceptual se representa en la figura 5-1 [27].



104

Fig. 5-1 Metodología del diseño conceptual.

1. Clarificación de los requerimientos del cliente.

La clarificación de los requerimientos del cliente, tiene por objetivo

establecer el enlace entre la primera etapa de diseño (aplicación del

5. Concepto de diseño

4. Evaluación de conceptos

3. Generación de conceptos

2. Definición del modelo funcional

DISEÑO CONCEPTUAL

1. Clarificación de los requerimientos

del cliente



105

QFD) y la etapa conceptual. Por ello, el equipo de diseño debe ser

capaz de describir el objetivo del proyecto de manera que incluya la

función global de servicio del producto e identificar los límites del

sistema. Para el caso del diseño mecánico, una función representa el

papel que desempeña un elemento o sistema completo. Por lo general,

cada producto cumple con una o varias acciones de servicio; entre

ellas, a las más importantes se les denominan funciones globales de

servicio o simplemente funciones globales. Estas son, las actividades

que corresponden a la finalidad de uso del producto como un todo; el

conjunto de las funciones de servicio se ilustra en la figura 5-2. En

consecuencia, la función global de servicio de la máquina para medir el

desgaste por contacto de rodadura queda definida como: Diseñar una

máquina para medir el desgaste por fatiga de contacto de rodadura.

LÍMITES DEL SISTEMA.

Los elementos que se han identificado que se relacionan con el entorno son [28]:

Usuario

Muestra

Contramuestra

Aceite

Carga

Sensor

Energía eléctrica



106

Fig. 5-2 Esquema del entorno y los límites del sistema

Las funciones de servicio se describen de la siguiente manera:

A1.- Colocación de la muestra

A2.- Colocación de la contramuestra

A3.- Colocación de aceite

A4.- Colocar carga

A5.- Conectar, programar y encender la máquina

A6.- Calibrar sensor

A7.- Aplicar carga

A8.- Velocidad de giro de la muestra

A9.- Desgaste por contacto de rodadura de la muestra

Máquina Tribológica

Energía eléctrica Aceite

Usuario Muestra A1

A2

A3 A5

A6

A4 Contra- muestra

Carga

Sensor

A8

A7

A9



107

CLASIFICACIÓN

POR SU IMPORTANCIA

Función global:


Funciones complementarias:




A4.- Colocar carga



A7.- Aplicar carga


POR SU NATURALEZA

Uso:






108

A4.- Colocar carga



A7.- Aplicar carga



2. Definición del modelo funcional.

Aplicando el principio de la metodología del “análisis del valor”, que

consiste en considerar a un producto como un conjunto de funciones y

no como un conjunto de “piezas”, el siguiente paso consiste en definir

el modelo funcional del producto. Esto es, determinar que las

funciones son necesarias para satisfacer las necesidades del cliente,

jerarquizar las diferentes funciones, determinar la relación que debe

haber entre ellas, y describir esto gráficamente. El análisis funcional

descendente es un modelo para escribir gráficamente las funciones de

un sistema. Este método se basa en la sucesión coherente de

diagramas. El análisis se hace de manera descendente; es decir,

procediendo desde lo mas general hasta lo más particular. En la figura

5-3 se define el diagrama de funciones para producir el desgaste por

fatiga de contacto por rodadura. La función mas general es la función

global, y a partir de ella se tendrán en un segundo nivel, las funciones

complementarias, figura 5-4 (a), (b), (c), (d), (e), (f), (g).



109

Desgaste por fatiga de contacto por rodadura

Muestra

Contramuestra

Carga

Aceite

Energía eléctrica

MuestraContramuestraCarga

Material del desgasteEspécimen desgastadoDisplay de cuenta-horasSeñal de encendido

Maquina Tribológica

Col

ocar

pro

beta

Con

trol

de

vibr

acio

nes

Con

trol

de

peso

Pres

enci

a de

car

ga

Pres

enci

a de

con

tram

uest

ra

Pres

enci

a de

ace

ite

Ord

en “

inic

io”

Pres

enci

a de

ene

rgía

Ord

en “

cont

rol d

e R

PM”


Muestra

Contramuestra

Carga

Aceite

Energía eléctrica




Col

ocar

pro

beta

Con

trol

de

vibr

acio

nes

Con

trol

de

peso

Pres

enci

a de

car

ga

Pres

enci

a de

con

tram

uest

ra

Pres

enci

a de

ace

ite

Ord

en “

inic

io”

Pres

enci

a de

ene

rgía

Ord

en “

cont

rol d

e R

PM”

Figura 5-3 Diagrama de funciones para producir el desgaste por fatiga de

contacto de rodadura.



110

PRIMER NIVEL

Figura 5-4 (a) Funciones complementarias.

Figura 5-4 (b) Funciones complementarias.

Colocar la muestra

Muestra

Posicionar muestra

Sujetador

Colocar la contramuestra

Contramuestra

Posicionar contramuestra

Base

Colocar carga Carga

Control de carga

Sujetador

Aplicar carga

Presencia de carga

Aplicador

Carga aplicada

Muestra fija

Contra-muestra fija

Carga

Aceite dosificado Colocar aceite Aceite

Control para nivel de aceite Presencia de aceite

Contenedor



111

Desgaste por fatiga de contacto de rodadura de

la muestra

Carga aplicada

Aceite

Muestra

Contramuestra

Movimiento rotatorio

Aceite

Carga

Material de desgaste

Espécimen desgastado

Figura 5-4 (c) Funciones complementarias.

Figura 5-4 (d) Funciones complementarias.

Programar y encender la maquina

Energía eléctrica Cuenta-horas

Orden “inicio” Presencia de energía

Contador

Rectificado Controlador

Velocidad de giro de la muestra

Orden “controlar RPM”

Reductor


Controlar vibración

Orden “calibrar sensor”

Sensor


Energía eléctrica

Informe encendido- apagado

Marcador cuenta- horas



112

SEGUNDO NIVEL

Descomposición de la función “Programar y encender la máquina”

Figura 5-4 (e) Funciones complementarias.

Descomposición de la función “Velocidad de giro de la muestra”

Figura 5-4 (f) Funciones complementarias.

Transformar energía

Presencia de energía

Transformador

Contar horas

Orden “inicio”

Contador Energía eléctrica Número de horas

Marcador de horas

Informe encendido-apagado


Orden “controlar RPM”

Transformador de energía

Energía eléctrica controlada Reducir

RPM


Reductor




113

Descomposición de la función “controlar vibración”

Figura 5.4 (g) Funciones complementarias.

3. Generación de conceptos

En este punto de la metodología de diseño, se busca generar la mayor

cantidad de posibles conceptos, es en esta etapa en donde el proceso

creativo debe ser al máximo.

Existen diversos estilos de desarrollar este punto; se puede proceder de

manera intuitiva, bosquejando algunas soluciones y organizándolas

para evaluarlas posteriormente. La lluvia de ideas, es un método que

pretende obtener una serie de ideas encaminadas a resolver un

problema y determinar el valor de las ideas, con sus posteriores

mejoras, como lo maneja la sinéctica, que se basa en la unión de

conceptos ya establecidos, para la mejora o desarrollo de un producto.


Orden “calibrar sensor”

Transformador de energía

Energía eléctrica controlada Ajustar

sensor


Calibrador




114

Existen muchos métodos para la generación de conceptos, que si en

esta tesis se describieran, seria necesario agregar varios capítulos

dedicados a la explicación de ellos.

Las matrices de conceptos tienen una gran importancia en la

metodología de diseño, con la ayuda de esta técnica, se desarrollarán

los conceptos para el prototipo a diseñar. Esta, se construye a partir de

dos entradas: en la columna del lado izquierdo se anotan las funciones

que se quieren realizar, y sobre las filas se anotan las propuestas de

solución. En la tabla 5-4, se ilustra la matriz de conceptos, para el

desarrollo del prototipo de la máquina tribológica para medir el

desgaste por fatiga de contacto de rodadura.

Tabla 5-4. Generación de conceptos. Función A b c d ∑

A1. Colocar muestra Manual Robotizada 2 A2. Colocar contramuestra Manual Robotizada 2 A3. Colocar aceite Hidroneumática Toma Bomba Manual 4 A4. Colocar carga Manual Robotizada 2 A5. Conectar, programar y encender la máquina

Computarizado PLC Digital 3

A6. Calibrar sensor Manual Automático 2 A7. Aplicar carga Pistón

hidráulico Pistón

neumático Piñón y

cremallera Resorte 4 Motor eléctrico 1

A8. Giro de la muestra Engranes Poleas Engrane

sin fin Piñón

engrane 4



115

Los dispositivos desarrollados de las matrices morfológicas brindan

una amplia gama de soluciones para realizar el desarrollo del

producto.

Cada elemento por sí solo, puede dar origen a un prototipo nuevo; sin

embargo, siempre es necesario encontrar la mejor combinación de

ellas; el siguiente paso de la metodología de diseño es hacer la

evaluación de los conceptos generados.

4. Evaluación de conceptos de diseño y concepto de diseño.

La evaluación de conceptos, es la parte final de la fase de diseño

conceptual. Su objetivo es el de seleccionar el mejor concepto de diseño

de entre los que se generaron previamente.

La meta consiste en invertir mayor cantidad de recursos para decidir

cual es el concepto idóneo que en la etapa de diseño de detalle se

desarrollará por completo.

Existen diversos métodos y criterios para valorar los conceptos

generados. Sin embargo, para la evaluación de conceptos se tomará en

cuenta primero la factibilidad de cada uno estos, y de aquellos

conceptos que pasen se evaluarán por la disponibilidad tecnológica

para realizarlas. En las tablas 5-5 y 5-6 analizaremos cada una de las

funciones contra los diferentes conceptos generados y los calificaremos



116

en una columna de evaluación con diferentes valores dependiendo el

concepto y la tabla a la que nos estemos refiriendo.

Tabla 5-5 Evaluación por factibilidad de conceptos.

Evaluación 1- no funciona

2- podría funcionar si se hacen ajustes Función Opciones

3- es muy factible

Manual 3 Robotizada 2 A1. Colocar muestra

Manual 3

Robotizada 2 A2. Colocar contramuestra

Hidroneumática 1 Toma 2

Bomba 3 A3. Colocar aceite

Manual 3 Manual 3

Robotizada 2 A4. Colocar carga

Computarizado 2 Manual 3

PLC 1 A5. Conectar, programar yencender máquina

Digital 3 Manual 3

Automático 3 A6. Calibrar sensor

Pistón hidráulico 3 Resorte 2

Pistón neumático 3 A7. Aplicar carga

Piñón y cremallera 3 Engranes 3

Poleas 3 Engrane sin fin 1

A8. Giro de la muestra

Piñón engrane 1



117

Tabla 5-6. Evaluación por Disponibilidad Tecnológica

A partir de los conceptos elegidos, la configuración óptima para la

máquina tribológica para medir la fatiga por contacto de rodadura,

está definido por la tabla 5-7, donde se muestran los resultados

obtenidos de la evaluación de conceptos [28].

Evaluación1- desarrollada2- disponible3- al alcance para su utilización

Manual 3

Manual 3

Bomba 3Manual 3

Manual 3Manual 3Digital 3

Manual 3Automatico 1

Piston hidráulico 2Piston neumático 2Engranes 3Engranes 2Poleas 3

Pasa

A3. Colocar aceite

A5. Conectar, programar y encender la máquina

A6. Calibrar sensor

A1. Colocar muestra

A2. Colocar contramuestra

A7. Aplicar carga

A8. Giro de disco

Función Opciones

A4. Colocar carga



118

Tabla 5-7. Resultados de la evaluación de conceptos.

Resultados de la selección de conceptos A1. Colocar muestra Manual A2. Colocar contramuestra Manual A3. Colocar aceite Manual o Bomba A4. Colocar carga Manual A5. Conectar, programar y encender la máquina

Manual o Digital A6. Calibrar sensor Manual A7. Aplicar carga Piñón y cremallera A8. Giro de la muestra Poleas

5.3 DESARROLLO DE LA MÁQUINA

Para simular cualquier mecanismo de daño se deben tener en cuenta

las variables involucradas en el mismo. En el caso que nos atañe estas

son la aplicación de una carga y un movimiento circular de número de

revoluciones constante. Se plantearon dos líneas de trabajo, la creación

de una máquina desde cero y la adaptación de una máquina

herramienta existente en mercado.

Sobre cada línea se evaluaron las siguientes variables: Calidad del

equipo, seguridad, confiabilidad, costo, tiempo de ejecución.

Luego de realizar un estudio de ambas hipótesis con respecto a las

consideraciones de diseño se observó que para lograr un adecuado

costo de fabricación, de funcionamiento, sencillez, confiabilidad,



119

utilidad y mínimo mantenimiento, se debía optar por la adaptación de

una máquina herramienta existente en mercado. Debido a que algunas

de las consideraciones de diseño planteadas para resolver el problema

son la premisa fundamental en el diseño y construcción de estas

máquinas.

Una vez seleccionada la hipótesis de trabajo, se comenzó la búsqueda

de la máquina herramienta que cumpla con los requerimientos del

problema. Estos requerimientos son las características del mecanismo

de daño a estudiar. Estos son movimiento relativo de una superficie

respecto de otra en contacto bajo carga. El estudio se centra en el

deslizamiento de una superficie esférica sobre un plano. Para obtener

este deslizamiento es necesario un movimiento circular y la aplicación

de una carga constante. Bajos estos requerimiento se determinó que

existen dos máquinas sencillas capaces de entregar un movimiento

circular y la aplicación de una carga. Estas son la fresadora vertical y el

taladro de banco.

Se evaluaron ambas bajo las consideraciones de diseño citadas

anteriormente, además de observar que la sujeción y el posicionado de

la pieza sean confiables y sencillos. De estas se determinó que la mejor

adaptación a nuestras intenciones era el taladro. Debido a que el costo

y sencillez requeridas no eran compatibles con las características de la

fresadora ( Ver anexo B).



120

5.3.1 REDISEÑO DE LA MÁQUINA ADQUIRIDA

El rediseño será realizado teniendo en cuenta las solicitaciones

deseadas para el ensayo. Para tener una idea de cual es el punto de

partida, se realizará una evaluación de la máquina, contando entre

otras con un pre-ensayo. En este pre-ensayo se medirán de forma

exhaustiva vibraciones, alineaciones, temperatura de operación del

motor, de los cojinetes.

Pieza de sujeción

Se evaluaron dos alternativas diferentes, una constaba de un cono

hembra para su sujeción al husillo, pero variaba en la forma de tomar

la probeta. Una alternativa era construirle a la probeta un cono hembra

en su centro y que la pieza de sujeción constara de un cono hembra,

para su sujeción en el husillo y una rosca Macho W 5/8’’. La otra era

construir un cilindro en cuya parte superior fuera sujetada por el

mismo mandril del taladro y una rosca Macho W 5/8” en la parte

inferior para sujetar la probeta. Se seleccionó esta segunda opción

debido no sólo a la facilidad y sencillez para extraer la probeta sino

también a su facilidad para el maquinado.

Esta pieza de sujeción fue realizada en acero inoxidable. Partiendo de

un cilindro macizo de diámetro 2", se procedió al maquinado de la

misma (Ver anexo A).



121

Probeta utilizada en la máquina de FCR

El diseño de la probeta fue elegido a partir de la mejor configuración

adaptable al porta probeta y al rodamiento necesario para efectuar los

ensayos.

La probeta estándar se muestra en la figura 5-5 y es normalmente

producida desde una barra cilíndrica de aproximadamente un

diámetro de 76,2 mm (3”).

Figura 5-5. Probeta utilizada para los ensayos

El tratamiento térmico, torneado y rectificado se llevan a cabo

utilizando equipamiento y herramientas convencionales.



122

Se utiliza, en la fase de puesta a punto de la máquina, acero AISI 4140

templado, y AISI 1045 templado que pueden lograr una dureza

superficial de aproximadamente 60 HRC y 58 HRC respectivamente.

Esto se elige debido a que la dureza promedio de las bolillas de

cojinetes es de 65 HRC.

Básicamente, el objetivo ha sido conseguir niveles finales de acabado

superficial comparables con aquellos producidos en cojinetes de

motores, pues una rugosidad superficial adecuada actúa como

receptáculo para el aceite y a la vez produce un efecto hidrodinámico,

por lo que el requerimiento normal de rugosidad media aritmética

Ra=0,8 µm no debe excederse. La precisión en la altura de la probeta se

debe al hecho de tener que mantener la palanca de aplicación de cargas

en posición horizontal para asegurar el brazo de palanca; además

garantiza la intercambiabilidad de probetas durante ensayos bajo la

misma carga sin la necesidad de efectuar un re-centrado y posicionado

de la cuba. La precisión en la perpendicularidad entre la superficie de

trabajo y el eje de giro se requiere para asegurar la distribución

homogénea de la carga sobre todos los puntos de contacto.

Todas las probetas se prueban mediante ensayos de dureza y, luego

del mecanizado, en dimensiones y acabado superficial; siendo

registrados los resultados.



123

Cada probeta se utiliza típicamente para obtener un ensayo individual,

aunque podría utilizarse la cara opuesta a la inicialmente de trabajo,

mecanizándola con la precisión y acabado superficial requeridos.

Como se mencionó anteriormente, un parámetro a tener en cuenta es la

duración de los ensayos de fatiga de contacto. Para acelerar los mismos

se induce la nucleación de fisuras mediante la colocación de improntas

sobre el camino de rodadura, utilizando el indentador Rockwell C en

la región de precarga. Con esta metodología se intenta obtener la

nucleación de fisuras en la superficie o muy cerca de ésta en sitios

prefijados. También se trata de acotar el número de factores que

influyen en la dispersión de resultados, característica de los ensayos de

fatiga.

Figura 5-6. Fotografía de un defecto artificial HRC (DA HRC) observándose la forma de

casquete esférico.



124

Selección del rodamiento

El dispositivo fue diseñando seleccionando un cojinete de empuje de

simple efecto de un catalogo estándar.

La selección se basó en obtener la máxima tensión de contacto a través

del compromiso entre cantidad de bolas del rodamiento y la tensión

Hertziana máxima que depende de las dimensiones de las pistas y

elementos rodantes.

Se evaluaron tres alternativas utilizando el cálculo de tensiones según

Timoshenko, las que consideraron los cojinetes bajo denominación

51208, 51307 y 51107 con las características indicadas en los manuales

de rodamientos [29] [30]. Los resultados de esta evaluación están

volcados sobre la tabla 5-8.

Tabla 5-8. Cantidad de bolas vs. Tensión Hertziana máxima [29] [30].

Roda_

miento

Cantidad

de bolas

Carga dinámica

[kg]

Φbola R1 R1’ R2 R2’ a [mm] P/pt [N] P [N] P0 [MPa]

51208 13 3450 10 5 5 8 8 0,140 1000 76,9 1864

51307 10 4300 12,7 6,35 6,35 8 8 0,166 1000 100 1732

51107 17 1560 6 3 3 8 8 0,108 1000 59 2387



125

Sobre la base de los resultados obtenidos, mediante el cálculo se

selecciona un rodamiento axial de bolas de simple efecto bajo

denominación 51107 dado que es el que mejores prestaciones ofrece de

acuerdo al compromiso entre número de bolas y tensión Hertziana

máxima.

Figura 5-7. Dibujo esquemático del funcionamiento de la máquina de FCR

5.3.2 LUBRICACIÓN DEL SISTEMA

Las superficies de contacto tienen un movimiento relativo que es de

rodadura y deslizamiento. En condiciones ideales el lubricante evita

Pieza de sujeción

Probeta

Aceite lubricante

Rodamiento

Base de rodamiento

Cuba



126

considerablemente el contacto íntimo de las superficies rodantes y

deslizantes, disminuye el rozamiento y en consecuencia el desgaste, y

protege contra la corrosión. También cumple con la tarea de refrigerar.

La lubricación elastohidrodinámica (EHD) es el fenómeno que ocurre

cuando se introduce un lubricante entre superficies que están

sometidas a elevadas tensiones de contacto como es el caso de FCR.

Por un lado el lubricante es forzado a introducirse en la zona de

contacto a través de un efecto hidrodinámico; por otro lado, las

superficies se deforman elásticamente ante la elevada presión de

contacto y como tercer factor que posibilita la lubricación en la FCR se

origina un incremento notable de la viscosidad del lubricante

confinado entre las superficies con la presión, pues la viscosidad está

relacionada en forma exponencial con la presión.

De esta forma el lubricante debe tratar de distribuir uniformemente la

presión de contacto que de otro modo no sería Hertziana, si como en el

contacto sin lubricantes las superficies se tocan a través de las micro-

asperezas.

El dispositivo para lubricación por aceite fue concebido

cuidadosamente y regulado de manera óptima. La lubricación por

aceite es absolutamente necesaria cuando el mismo tiene que

encargarse del transporte del calor, tal es el caso de la FCR.



127

Los sistemas de lubricación por aceite usuales, son los probados

durante el uso cotidiano, pudiéndose seleccionar entre las siguientes

alternativas:

• Lubricación por baño de aceite o por inmersión

• Lubricación por proyección de aceite

• Lubricación por circulación forzada de aceite

• Lubricación con aceite nuevo

5.3.2.1 LUBRICACIÓN POR BAÑO DE ACEITE O POR

INMERSIÓN

Se decide emplear este sistema de lubricación por ser el más sencillo y

económico de implementar, dado que no se requieren dispositivos de

bombeo, inyección, refrigeración, etc.

En este tipo de lubricación el rodamiento y la superficie a ensayar de la

probeta están constantemente en contacto con el aceite, debiendo el

nivel de aceite cubrir completamente las bolillas cuando la probeta no

ha sido posicionada sobre las mismas.

Como no hay manera de hacer circular o enfriar el lubricante, éste pasa

por la superficie de rodadura, se calienta y se vierte en la cuba. El calor

se elimina por convección, conducción y radiación, y finalmente el



128

sistema alcanza una temperatura de equilibrio, para ello se dispone el

aceite en una cuba de gran capacidad de manera de asegurar la

transferencia de calor.

Los intervalos de cambio de aceite se rigen por el envejecimiento y por

el grado de ensuciamiento; el porcentaje de partículas sólidas no debe

ser mayor de 0,2%.

5.3.2.2 SELECCIÓN DEL ACEITE

La viscosidad del aceite es la propiedad física característica que

determina su poder de lubricación o de separar las superficies en

movimiento relativo. La viscosidad es la resistencia que oponen las

capas del líquido vecinas a su desplazamiento relativo. Se distingue

entre viscosidad dinámica η y viscosidad cinemática ν, las que se

relacionan mediante la siguiente ecuación:

η = viscosidad dinámica [1 cP = 10-3 N s/m2]

η = ρ ν ν = viscosidad cinemática [1 cSt = 10-6 m2/s]

ρ = densidad [103 kg/m3]

De los aceites para la lubricación de rodamientos se exige excención de

acidez y un alto grado de pureza. Los aditivos que generalmente

contienen los aceites para engranajes no dañan a los rodamientos.



129

En vista de lo recomendado por los fabricantes de rodamientos se

selecciona el lubricante Shell Tellus 100, un aceite mineral con

viscosidad International Organization for Standardization (ISO) grado

100, de alta refinación.

Este lubricante presenta los valores típicos de análisis citados en la

tabla 5-9.

Tabla 5-9. Valores típicos de análisis

Aceite

Hidráulico

Densidad Viscosidad

cinemática

Viscosidad

cinemática

Punto de

inflamación

Punto de

escurrimiento

Índice de

viscosidad

Shell Tellus

100

0.882 a 15 ºC 97.8 a 40 ºC 10.9 a 100 ºC 238 COC ºC -24ºC I.V. 96

*Valores proporcionados por el fabricante

5.3.3 MECANISMOS AUXILIARES

Para la aplicación de la carga se desarrolla un mecanismo simple

basado en la regla de la palanca, mediante la aplicación de una carga

dada a una determinada distancia, teniendo la posibilidad de variar

ambos parámetros (fuerza y distancia).

La carga se aplicará mediante la adición de pesas de 3 kg cada una,

sobre un sistema porta-pesas, que a su vez puede deslizarse sobre una

varilla.



130

La elección de los 3 kg para cada pesa se debe a que, el mismo, es un

peso que puede manipularse en forma simple y segura. La geometría

de dichas pesas considera el montaje (y desmontaje) sencillo de dichas

pesas, además de las limitaciones de espacio debido a la interferencia

de la cuba.

El sistema porta-pesas cuelga de la varilla (palanca) a través de una

rótula, la que garantiza que la carga se encuentre siempre en posición

vertical independientemente de posibles variaciones con respecto a la

horizontalidad de la varilla (palanca).

Considerando la medida de la distancia entre centros de la cremallera

(punto de aplicación de la carga sobre la probeta) y el piñón, que es de

25 mm, se determina el brazo de palanca necesario para la aplicación

de cargas -sobre la probeta- con valores variables hasta 450 kg, debe

tener una longitud de 400 mm. Para ello se utiliza una varilla de "acero

plata" debido a que la misma tiene un diámetro nominal preciso y

presenta un acabado superficial adecuado para lograr el correcto

deslizamiento de la rótula. La rótula se fija a la varilla por medio de un

tornillo que se asegura mediante un agujero roscado, el cual bloquea

el movimiento axial, evitando que la rótula (carga) se desplace como

consecuencia de las vibraciones generadas durante cada ensayo.



131

5.4 TABLERO DE MANIOBRA Y CONTROL

Los elementos eléctricos y electrónicos se encuentran alojados dentro

de una caja metálica. La misma se eligió para que actúe como "jaula de

Faraday" dada la sensibilidad del circuito electrónico al ruido eléctrico,

sobretodo considerando la presencia de otras máquinas en la zona

donde estará situada la máquina.

El analizador de vibraciones cuenta con un circuito amplificador de la

señal recibida del transductor piezoeléctrico. Posteriormente la señal

amplificada pasa a través de un potenciómetro donde se regula el nivel

pico de corte de un relé. Esto funciona de la siguiente manera: al recibir

la señal desde el transductor, la misma es amplificada; la salida del

amplificador puede ser regulada mediante el potenciómetro que

establecerá el nivel de vibraciones máximo admisible sobrepasado el

cual enciende un led rojo y, simultáneamente, se dispara un relé, a

cuya salida se conecta la bobina del contactor del motor de

accionamiento. Esta señal hace detener la marcha del motor, y, el

cuenta horas de funcionamiento.

De esta manera registrando el valor indicado por el cuenta horas y

considerando el número de revoluciones (RPM) al que giraba la

probeta se establece rápidamente el número de ciclos transcurridos

hasta que se produjo una falla que indujo un nivel de vibraciones

inadmisible.



132

El cuenta horas de funcionamiento se eligió del tipo acumulativo sin

reset, porque además de contar las horas de funcionamiento de cada

ensayo, cuenta las horas de servicio de la máquina pudiéndose utilizar

como un indicativo para las tareas de mantenimiento de la máquina.

CAPITULO VI PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES


133

CAPITULO VI

PRESENTACIÓN DEL

PROTOTIPO Y PRUEBAS PRELIMINARES



134

6.1 PRESENTACIÓN DEL PROTOTIPO 6.1.1 DESCRIPCIÓN DE SUS COMPONENTES

• Máquina tribológica de FCR

Después de terminado el diseño y la manufactura de algunos de los

componentes, se procedió a la integración de éstos para construir el

prototipo cuyo dibujo de concepto se presenta a continuación en la

figura 6.1.

Figura 6.1. Dibujo de concepto de máquina de FCR.



135

El equipo que se construyo, se presenta en la figura 6.2:

Figura 6.2. Componentes de la máquina de FCR.

La máquina tribológica se compone de los siguientes elementos:

• Taladro de banco (1) • Palanca porta pesa(2) • Mueble de la máquina (3) • Cuba (4) • Pesa (5) • Buje porta pesa (6) • Buje porta palanca (7) • Porta probeta, probeta, rodamiento y base de rodamiento. (8)

8 3

45

2 1 6

7



136

• Conjunto Probeta- Rodamiento

Figura 6.3. conjunto Probeta- Rodamiento.

El conjunto Probeta- Rodamiento se encuentra formado por:

• Porta probeta (9)

• Probeta (10)

• Rodamiento (11)

• Base de rodamiento (12)

• Aceite (13)

11

10

11

12

9

13



137

• Tablero de Control

(a)

(b)

Fig. 6.4 Tablero de control a) cerrado, b) abierto.

5

7

4

6

8

2

1

3



138

El tablero consiste en un armario metálico estanco donde irán alojados:

• Contactor de puesta en marcha (1)

• Cuenta horas de funcionamiento (2)

• Analizador de vibraciones (3)

• Switch de arranque y paro (4)

• Indicador luminoso (verde) de funcionamiento normal (5)

El analizador de vibraciones cuenta con un panel donde se observan

los siguientes elementos:

• Pulsador de reset (6)

• Piloto indicador de relevador disparado (7)

• Potenciómetro de regulación de nivel pico (8)

El cálculo del costo total del equipo y de las pruebas de FCR, se

presenta detalladamente en el anexo B de este trabajo.



139

6.2 PRUEBAS PRELIMINARES 6.2.1 CÁLCULO DEL NÚMERO DE CICLOS DE CARGA

El cálculo del número de ciclos de carga a la que está sometida la

probeta durante los ensayos con probetas y rodamientos tal como los

descritos anteriormente se efectúa en base a consideraciones

puramente geométricas, siguiendo la notación indicada en la Fig. 6-5.

El resultado del cálculo mencionado se muestra a continuación:

A = arctg [D1 / (D / 2)] (6.1)

Donde:

D = diámetro de contacto probeta 44 mm

N = cantidad de balines 17

D1= diámetro balines 6 mm

A = ángulo de copa

A = arctg [D1 / (D / 2)] = 0,2662

Figura 6-5. Equipo esquemático para el cálculo de la velocidad de rotación



140

D2= diámetro de contacto de balines con copa

D2= D1 x cos A 5.7885 mm

D3= diámetro de paso de balin con jaula

D3 = D + D1 50 mm

D4 = diámetro de contacto copa con balín

D4 = D3 + D2 55.7885 mm

E = revoluciones balín por una revolución jaula

E = D4 / D2 9.6376

F = revoluciones probeta por una revolución jaula

F = 1 + E x D1 / D 2.2913

H = número de ciclos de carga entre balín y probeta por una

revolución de la jaula

H = F – 1 1.2913

K = número de ciclos de carga entre balines y probeta por una

revolución de la probeta

K = N x H / F 9,655.4

Verificación del número de ciclos de carga

Por otra parte, existe un segundo método para calcular el número de

ciclos de carga a la que está sometida la probeta, el cual consiste en el

siguiente cálculo:

F = V / V1 (6.2)



141

Donde:

N = cantidad de balines 17

V = velocidad probeta 1,540 r.p.m.

V1= velocidad jaula 654 r.p.m.

F = revoluciones probeta por una revolución jaula

F = V / V1 = 2.3547

H = número de ciclos de carga entre balín y probeta por una

revolución de la jaula

H = F – 1 1.3547

K = número de ciclos de carga entre balines y probeta por una

revolución de la probeta

K = N x H / F 9,780.3

Evidentemente existe compatibilidad entre los resultados obtenidos

mediante ambos procedimientos, esto es el cálculo geométrico y la

evaluación de valores medidos experimentalmente [22].

La pequeña distorsión existente se debe simplemente a que, para el

cálculo geométrico se basa en consideraciones estrictamente

geométricas y la verificación mediante la evaluación de los valores

medidos considera las condiciones reales de funcionamiento, donde

influyen factores tales como acabado superficial, dureza, viscosidad

del lubricante utilizado y temperatura.



142

De acuerdo a lo expresado se concluye que el número de ciclos de

carga por hora de funcionamiento al que se encuentra sometida una

probeta en ella, es el siguiente:

n = 9,7803 [ciclos/rev] x 1.540 [rev/min] x 60 [min/hora]

n = 903,708 [ciclos/hora]

6.2.2 METODOLOGÍA EXPERIMENTAL

La Figura 6-6 muestra un esquema parcial de la máquina de ensayo

desarrollada, donde se observan los componentes principales de la

misma: Probeta, balines, pista o contramuestra, soporte, cuba de aceite,

etc.

Figura 6-6. Esquema parcial de la máquina de ensayo, mostrando sus

componentes principales.

Balín



143

El fenómeno de FCR se genera mediante un rodamiento de empuje

axial de simple efecto, modelo 51107, en el cual la pista superior del

mismo es reemplazada por una muestra del material bajo estudio. La

mitad inferior del rodamiento se monta en su soporte, mientras que la

muestra gira, impulsada a través de una correa por un motor eléctrico.

La carga de ensayo, se aplica axialmente sobre la muestra a través de

un sistema de palanca, donde el valor de la misma surge de la relación

entre brazos empleada. La misma cuenta con una escala graduada y,

seleccionando el par adecuado, permite obtener cargas de ensayo sobre

cada balín, que pueden variarse entre 0 y 250 N.

Los diecisiete balines de 6 mm de diámetro, igualmente espaciadas por

una jaula, son cargadas axialmente (carga de empuje) contra la probeta,

a través del par seleccionada con el sistema de palanca.

El ensayo de FCR avanza, hasta que la degradación del camino de

rodadura, genera vibraciones tales que el sensor de vibraciones

(acelerómetro) detecta una señal, correspondiente al nivel

“deteriorado” o mayor. El cero del sensor de vibraciones es ajustado al

inicio de cada ensayo, llevándolo al mínimo que permita el

funcionamiento de la máquina de ensayos. De esta manera, cuando un

nivel de vibraciones preestablecido es excedido, indicando la presencia



144

de una fisura o daño superficial (spall), el motor es detenido

automáticamente. La duración de los ensayos es registrada por un

sistema electromecánico conectado al motor.

La probeta, mecanismo de carga y el motor de accionamiento forman

un conjunto anclado sobre una mesa nivelada, la cual está sostenida

por cuatro patas.

El rodamiento utilizado como contramuestra se eligió teniendo en

cuenta dos aspectos principales:

a) Que el mismo genere un elevado número de ciclos de carga por

unidad de tiempo.

b) Que la geometría del mismo, en particular el diámetro de las

bolas, produzca una tensión de contacto lo más elevada posible.

Por tal motivo, el rodamiento seleccionado es el número 51107.

La lubricación se efectúa por inmersión, lográndose la recirculación del

fluido, a través del aprovechamiento de la fuerza centrífuga producida

por el giro de la muestra. Ante la posible presencia de partículas de

desgaste en el lubricante, las mismas son retenidas en forma

magnética.



145

La contramuestra (pista inferior), balines, y el aceite lubricante son

cambiados periódicamente. El régimen establecido, según pruebas

hechas al aceite y al rodamiento y pista inferior durante los ensayos de

FCR a través del programa de puesta a punto del equipo, es de un

cambio de aceite cada ensayo, un cambio de rodamiento cada 2

ensayos y un cambio de pista inferior cada cuatro ensayos.

Figura 6-7. Representación del rodamiento y la probeta en contacto



146

6.2.2.1 CONTROLES PREVIOS AL ENSAYO

Antes de realizar los ensayos se deben realizar los siguientes pasos,

para lograr que los ensayos representen la realidad.

• Determinar el material y el tratamiento térmico a estudiar.

• Determinar las características del ensayo, carga, velocidad de giro,

tipo de probeta.

• Verificar las medidas de las probetas y la perpendicularidad del

centro de la misma con sus caras;

• Verificar el correcto funcionamiento del medidor de vibraciones

(utilizar una probeta patrón)

• Verificar el estado y la cantidad del aceite dentro de la cuba.

• Establecer la carga a aplicar con el dispositivo fabricado a tal fin.

6.2.2.2 PROCEDIMIENTO

Los siguientes pasos se encuentran ordenados secuencialmente y son

aquellos que se deben seguir para la correcta realización de los

ensayos.

• Ubicar las pesas en posición para lograr la carga a aplicar

durante el ensayo.



147

• Colocar la probeta en la pieza de sujeción.

• Aplicar la carga sobre las bolas del rodamiento.

• Ajustar el medidor de vibraciones en un nivel alto.

• Encender la máquina.

• Una vez que sobre la probeta se ha obtenido el camino de

rodadura (aproximadamente ½ hora de funcionamiento)

colocar el medidor de vibraciones en el nivel que se desea

corte el ensayo.

• Una vez culminado el ensayo retirar la probeta y marcarla con

un número de registro. El mismo que llevará en la hoja de

registros.

• Tomar una fotografía de los daños superficiales (pits) que se

han nucleado.

6.2.2.3 LLENADO DE LA HOJA DE REGISTROS

• Se debe llenar una hoja de registros por cada probeta, En la cual

se presentan los siguientes datos sobre la probeta ensayada:

N° de registro: Número con el cual se referencia la probeta

ensayada, se utiliza para el archivo de los resultados.

Material: denominación, tipo.

Tratamiento: Descripción del tratamiento térmico aplicado a la

probeta.



148

Dureza de la muestra

Características del ensayo: carga aplicada, velocidad.

Tipo de probeta: medidas geométricas.

Fotografía: de las fisuras nucleadas.

Datos: cantidad de horas.

Observaciones: Datos extras que no encajen en ninguno de los

campos citados, por ejemplo, características de la falla.

Tipo de lubricante.

6.2.3 ANÁLISIS DE RESULTADOS

A continuación se presentan los resultados obtenidos por cada ensayo

realizado en las hojas de registro, incluyendo toda la información

necesaria de cada prueba; también se puede observar las características

de los diferentes materiales de las probetas que se utilizaron y

fotografías de las mismas antes y después de cada ensayo. En donde se

muestra la trayectoria de rodadura y las indentaciones realizadas antes

de cada prueba.



149

Probeta antes del ensayo Probeta después del ensayo

Figura 6.8. Probetas antes y después de cada ensayo de FCR.

Tabla 6.1. Características de los aceros usados en las pruebas.

Acero AISI 4140 Acero AISI 1045

Acero al cromo- molibdeno para

construcción de maquinaria.

Acero al .45% de carbono para

construcción de maquinaria.

Temple en aceite, entre 830 a 860

°C.

Temple en aceite o agua a 845 - 900

°C.

Dureza Rockwell de 60 Dureza Rockwell de 58

Análisis Básico %

.40 C, .25 Si, .88 Mn, .95 Cr, .20 Mo .45 C, .25 Si, .75 Mn



150

N° de registro: 4140_1 Ensayos de Fatiga de

Contacto por Rodadura

Fecha: 06/06/03

Material: AISI 4140

Tratamiento térmico: TEMPLADO EN ACEITE

Características del ensayo: CARGA DE 169.80 N, VELOCIDAD 1540 R.P.M.,

Tipo de Probeta: SECCIÓN CIRCULAR DE 60 MM DE DIÁMETRO, ESPESOR 15 MM,

ROSCA PASADA DE W 5/8”-18 EN EL CENTRO

Cantidad de horas: 12 HORAS 45 MINUTOS

Fotografía:

Principios de fractura. 25x Fractura. 25x

Observaciones: ACEITE LUBRICANTE SHELL TELLUS 100, 4 INDENTACIONES A 90°

DE 100 N SOBRE EL CR.

Realizó: ING. ALEJANDRO HERRERA G.



151



Fecha: 10/06/03

Material: AISI 4140


Características del ensayo: CARGA DE 200 N, VELOCIDAD DE 1540 R.P.M.


ROSCA PASADA DE W 5/8” EN EL CENTRO


Fotografía:







152



Fecha: 12/06/03

Material: AISI 1045


Características del ensayo: CARGA DE 169.80 N, VELOCIDAD 1540 R.P.M.,


ROSCA PASADA DE W 5/8”-18 EN EL CENTRO


Fotografía:







153



Fecha: 15/06/03

Material: AISI 1045


Características del ensayo: CARGA DE 200 N, VELOCIDAD DE 1540 R.P.M.


ROSCA PASADA DE W 5/8” EN EL CENTRO


Fotografía:







154

• Resumen

Tabla 6.2. Resultados de las pruebas.

Acero AISI 4140

Carga Vida- Ciclos de carga x 106 Comparación %

169.80 N 12 hr 45 min x 903, 708 ciclos/hr = 11.251 18 % mas resistente

que AISI 1045

200 N 9 hr 20 min x 903, 708 ciclos/hr = 8.314 10% mas resistente

que AISI 1045

Acero AISI 1045

Carga Vida- Ciclos de carga x 106 Comparación %

169.80 N 10 hr 16 min x 903, 708 ciclos/hr = 9.181 18 % menos resistente

que AISI 4140

200 N 8 hr 24 min x 903, 708 ciclos/hr = 7.446 10% menos resistente

que AISI 4140

• Análisis de los resultados experimentales

El efecto de los esfuerzos cíclicos es producir grietas microscópicas en

los centros de las concentraciones de esfuerzos dentro del material o en

la superficie del mismo, lo cual, en forma consecuente, conduce al

crecimiento y la diseminación de grietas, lo que produce la fractura. La

fatiga entraña procesos de flujo microscópicos, y la extensión de grietas

macroscópicas. En los metales, las grietas por fatiga se originan en los

granos de la superficie que aparecen a partir de “bandas de

deslizamiento. Estas bandas de deslizamiento, sometidas a esfuerzos



155

contrarios, producen ranuras y plegamientos, lo cual depende de la

dirección del deslizamiento, y estos constituyen la base por la cual se

inician las grietas. El proceso de la fatiga se puede considerar como el

desarrollo progresivo de una grieta, a partir de fases submicroscópicas

de deslizamiento cíclico e iniciación de la grieta, pasando por la fase de

diseminación de las grietas macroscópicas, hasta llegar a la fractura

quebradiza. Un factor importante consiste en las concentraciones de

esfuerzo en la forma de indentaciones, ya que cuando se ha iniciado la

grieta por fatiga, suele ser muy tarde para evitar la falla [33].

Para el acero AISI 4140 y 1045, se determinó que con una carga de 200

Newtons, la fractura o el daño superficial se presenta en menos tiempo

con respecto a la otra probeta a la cual se le aplicó una carga de 169.80

Newtons. Esto se debió a que cuando existen mayores cargas, los

esfuerzos generados son más intensos en los puntos respectivos,

debilitándolos mecánicamente, lo que facilita la ruptura de la

estructura cristalina del material.

Comparando las pruebas entre probetas de acero construidas con acero

AISI 4140 y acero AISI 1045 se observa que la presencia de molibdeno y

cromo le provee una mayor dureza y compactibilidad al acero AISI

4140; como resultado se logra una mayor resistencia a los esfuerzos

generados por las cargas aplicadas, y por lo tanto, un periodo de vida

mas prolongado en comparación con el acero AISI 1045.



156

CONCLUSIONES

Se fabricó un prototipo de fácil operación, de bajo costo, tanto de

fabricación como de mantenimiento u operación, el cual no requiere

capacitación especial para la preparación del ensayo.

La máquina de ensayos desarrollada para evaluar la resistencia a la

fatiga de contacto por rodadura se comporta en forma consistente y

confiable.

El uso de componentes estándar y de bajo costo de reposición como

son los rodamientos, sumado a la sencillez y bajo costo de fabricación

de las probetas, no se puede comparar con el precio de los equipos

similares, en consecuencia el costo por ensayo, es de aproximadamente

$305.

Se puede realizar con este equipo, investigación en el área de

regímenes de lubricación, principalmente al régimen de lubricación

elastohidrodinámica, así como conocer las propiedades mecánicas y

resistencia a la fatiga por FCR de los diferentes aceros que se emplean

en la construcción de máquinas y herramientas.



157

Si bien, el trabajo continuo sobre el equipo de ensayo, permite conocer

con mayor detalle todos los aspectos relativos al mismo, los resultados

obtenidos hasta el presente son confiables.



158

RECOMENDACIONES

• Que se realicen las modificaciones pertinentes para que este

prototipo sea patentado en México a la brevedad posible.

• Debe desarrollarse un sistema de monitoreo de vibración más

cercano a donde ocurre la falla, entre la probeta y el rodamiento,

para tener una mayor precisión del momento de fractura.

• Dar a conocer las bondades de este prototipo funcional de FCR

en congresos, seminarios, instituciones de educación públicas y

privadas del país, así como en el sector productivo.

• El tribómetro de FCR debe ser utilizado por alumnos de

licenciatura y posgrado de Ingeniería Mecánica, así como

ingenieros de la planta industrial; para evaluar adecuadamente

los fenómenos observados en fatiga de contacto por rodadura en

los aceros empleados en la industria.



159

TRABAJOS FUTUROS

• Realizar modificaciones pertinentes, de acuerdo a las necesidades

que vayan surgiendo, como por ejemplo, añadir termómetros

para medir la temperatura del lubricante, calentadores por

resistencia para realizar pruebas con lubricante a mayor

temperatura, etc..

• Fomentar en las escuelas y universidades, a trabajar en proyectos

multidisciplinarios, así como el sector industrial, ya que de esta

manera, los prototipos tendrán mayor impacto en el desarrollo

científico tecnológico de México.

• Realizar trabajos de investigación aplicada para ser presentados

en revistas especializadas, así como en Congresos Internacionales

y Nacionales.

• Realizar caracterizaciones en diferentes aceros, con diferentes

condiciones, variando el tipo de aceite, rodamiento, velocidades

y cargas sobre los ensayos obteniendo un promedio de vida

(ciclos de carga) para cada material analizado.



160

REFERENCIAS

[1] H. Holleck and y. Schier, Plasma Surface Engineering PSE ‘96

Conference Proceedings, September 1996, Garmisch-Partenkirchen, Germany.

[2] H. Holleck and V. Schier, Surf. Coat. Technol. 76-77, 328 (1995). [3]. T. P. Mollart, J. Haupt, R. Gilmore, and W. Gissler, Surf. Coat.

Technol. 86, 231 (1996). [4] Vite Torres, M., Flores Martínez, M., Villela Gonzáles, V. R.

¿porqué del desgaste?, Ponencia presentada en el Congreso Nacional de Ahorro de Energía. Guadalajara, Jalisco. México, Nov. 1994.

[5] Arnell R. D, Davies P. B., Halling J. and Whomes T. L ., Tribology

Principles and Design Aplications At. Ed. MacMillan, 1991. [6] Downson D, History of tribology, Longraman Group limited

London, 1979. [7] Hernández Morales Francisco, Charles A. Coulomb, Conalep,

Limusa, 1988. [8] Galbato, A.T., “Methods of testing for rolling contact fatigue of

bearings, ASTM, 1982 [9] Luis Eduardo Benítez Hernández. Ingeniero Mecánico. MBA.

Director de la carrera de Ingeniería Mecánica y Profesor de la Universidad Nacional de Colombia. “La Tribología como herramienta de dirección en el mantenimiento”



161

[10] "ASM Handbook", Vol. 18 Friction, Lubrication & wear technology, Ed. ASM international. U.S.A., 1998.

[11] Johnson, K. L.; 1985, “Contact Mechanics, “ Cambridge

University Press. [12] Hahn, G. T.; Bhargava, V.; Chen, Q. ; 1990, “The cyclic stress-

strain properties hysteresis loop shape, and kinematic hardening of two high- strength bearing steels,” Metallurgical Transactions.

[13] Hutchings, I.M., “Tribology, and Wear of Engineering Materials”

Edit. Edward Arnold. Uk. 1992 [14] Williams J.A., “Engineering Tribology.” Edit. Oxford Science

Publications. Uk. 1994 [15] Bhushan and Gupta. “Handbook of Tribology: Materials,

Coatings and Surface Treatments.”, Ed. McGraw-Hill. United States of America. 1991

[16] Suh, N., “Tribophysics”, Ed. Prentice Hall. New Jersey, USA.

1986. [17] Kragelskii, I. V. “Friction and Wear.” Ed. Butter Worths London

1965. [18] Francisco Martínez Pérez,; 1996, “La Tribologia. Ciencia y técnica

para el mantenimiento”; México. [19] Marks, “manual del ingeniero mecánico” [20] Pedro Alabarracin Aguillon, Ing. Mecánico U de A., Julio 24 de

2002, Medellín Colombia.



162

[21] Hamrock, B. J. ; Dowson, D.; 1977, “Isothermal

Elastohydrodynamic Lubrication of Point Contacts. Part III – Fully flooded results”, Tras. Of the ASME, J. of Lubric. Technology.

[22] Ricardo Cesar Dommarco, ;1997, “Fatiga de contacto por

rodadura. Degradación y falla superficial”, Tesis de doctorado; Universidad Nacional Mar del Plata, Argentina.

[23] Swahn, H.,Becker, P. C., Vingsbo, O., 1976, “Martensite decay

during Rolling Contact Fatigue in ball bearings” Met. Transactions.

[24] Voskamp, A. P., 1986, “Rolling contact fatigue and the

significance of residual stresses” Residual Stresses in Science and technology, Ed. By E. Macherauch and V. Hauk. Partenkirchen, FRG.

[25] Rowe, C. N.; 1981, “Specific film thickness - A closer examination

of the effects of EHL film thickness and surface roughness on bearings fatigue,” ASLE Transactions.

[26] Merrit, H. E., 1971, “Gear Engineering,” Halsted Press, John

Wiley and Sons, New York. [27] Ramos Watanave Jorge, “Diseño Mecánico”, Agosto/2000,

Instituto Politécnico Nacional. [28] Alejandro Herrera Gurrutia; 2002, “Curso de Diseño Mecánico

para La Manufactura y el Ensamble”, ESIME Zacatenco. [29] VARIOS, 1977, "Manual de mantenimiento y recambio de

rodamientos", Ed.SKF. [30] VARIOS, 1977, "Manual rodamientos STEYR", Ed. STEYR.



163

[31] A. Chevalier, J. Bohan; “Tecnología del Diseño y Fabricación de

Piezas Metálicas”, EDT. Limusa, 1998. [32] Sergio A. Villanueva Pruneda, Jorge Ramos Watanave; ” Manual

de Métodos de Fabricación Metalmecánica”, AGT Editor, 1997. [33] Zbigniew D. Jastrzebski.; “ Naturaleza y Propiedades del os

Materiales para Ingeniería”, Editorial Interamericana, 1979.



164

ANEXO A

CALCULO DEL COSTO TOTAL DEL EQUIPO

Costos de fabricación

La inversión total de capital para diseñar, construir y poner a punto el

equipo para ensayos de FCR se determina por los costos directos

listados en la siguiente tabla.

Costos de fabricación

Costos directos Valor [$]

Equipos/ Materiales 5000.00

Mano de Obra 2000,00

Energía eléctrica 250.00

Mantenimiento 100,00

Aceite lubricante 445.00

Total 7795.00

Cálculo del costo por ensayo

El costo por ensayo incluye, un cambio de rodamiento por cada 2

ensayos, una probeta por ensayo y un cambio de aceite cada ensayo.

Cada probeta tiene un costo de $150.00, pero tiene dos caras útiles de

trabajo.

Costo por ensayo

Costos directos Valor [$]

Rodamiento 120.00

Probeta 150.00

Aceite lubricante 10.00

Energía eléctrica 25.00

Total 305.00

Rodamiento axial de bolas de simple efectomodelo SKF 51107

Kgr/minKgmm

0.090560043001,2239001560125235

A1CoCHDd

Pesos Limites de velocidad

Lubricacion conGrasa Aceite

Coeficiente de carga

minima

Cargas básicasDinamica estatica

Diemsiones principales

Diagrama de despiece de un taladro de banco

PROPUESTA DE DISEÑO DE UN PROTOTIPO FUNCIONAL PARA MEDIR EL DESGASTE POR FATIGA DE CONTACTO DE RODADURA

Manuel A. Herrera Gurrutia *, Manuel Vite Torres *, Jorge Ramos Watanave *,

Ricardo Dommarco **. * Departamento de Ingeniería Mecánica, Grupo de Tribología, SEPI ESIME IPN.

México, D. F., C. P. 07738, México. e-mail: [email protected]

** Facultad de Ingeniería, Mar del Plata, Argentina

RESUMEN El presente trabajo, propone el diseño de un prototipo funcional, destinado a evaluar la resistencia a la fatiga por contacto de rodadura. Este, funcionará a alta velocidad, aproximadamente, a 1500 RPM, con una carga de hasta 250 N. Asimismo, su costo de fabricación es relativamente pequeño; las probetas que se empleen también son muy económicas. La detección de las fallas por fatiga se realiza a través de un sistema de medición de vibraciones. Este prototipo, se desarrollará por el grupo de tribología en el Departamento de Ing. Mecánica de la SEPI, ESIME, IPN. La metodología empleada en el diseño del prototipo se realizó por medio de la técnica conocida como Extracción de Tecnología junto con la de Despliegue de Funciones de Calidad (QFD). Todo ello, permitió establecer los principales requerimientos u objetivos básicos de funcionamiento del tribómetro mencionado.

ABSTRACT The present work, explains the proposal of designing a functional prototype, destinated to evaluate the rolling contact fatigue. This prototype will work at high speed, 1500 RPM aprox. with a load up to 250 N, its manufacturing as well as the specimens are very cheap. The fatigue failures detection is measured with a vibration system. The tribology group in the Department of Mechanical Engineering of the SEPI, ESIME, IPN will develop this prototype. The methodology used in the designing process of the prototype was by technique known as Extraction of Technology along with the Quality Functions Deployment (QFD). All together allowed to establish the main basic objectives of the prototype development that constitutes the tribometer above mentioned.

PALABRAS CLAVES

- Tribología - Desgaste por fatiga - Fatiga de contacto

- Tribómetro

1. INTRODUCCION La tribología es la ciencia que estudia el comportamiento de las superficies que se encuentran sometidas a carga, en contacto y movimiento relativo; por lo tanto los fenómenos de fricción, desgaste y la lubricación, son tópicos propios de esta ciencia. En el grupo de tribología del Departamento de Ing. Mecánica de la SEPI, realiza trabajos de investigación y desarrollo de equipos que están dirigidos principalmente al estudio del desgaste según sus diferentes mecanismos. En particular, el desgaste por Fatiga de Contacto de Rodadura (FCR), ha recibido especial atención. En tal sentido, se pretende construir un prototipo para evaluar dicho fenómeno [2]. El estudio de un mecanismo de desgaste requiere, necesariamente, el empleo de un equipo para llevar a cabo ensayos, que reproduzcan en el laboratorio el mecanismo de falla que se desea estudiar. En general la falla por FCR, se presenta en forma repentina y resulta muy dificultoso localizarla durante su etapa de nucleación o crecimiento. Se manifiesta una vez que el proceso ha avanzado, produciendo el desprendimiento de material y dejando microcavidades en la superficie de rodadura, conocidas como astillamientos (pits o spalls) [3]. El equipo de ensayo de FCR a desarrollar en el presente trabajo permitirá realizar estudios relativos al modo de falla en la FCR, especialmente, enfocado hacia el modo superficial temprano. Frecuentemente, se deben resolver problemas en los que dos elementos de máquina trabajan en contacto entre sí por rodamiento, deslizamiento o una combinación de contacto rodante y deslizante, con cargas cíclicas, produciéndose entre los mismos desgaste por FCR, la misma es causa frecuente de falla en elementos tales como [4]: • Dientes de engranaje

• Contacto rueda/ riel

• Sistema leva/ seguidor

• Rodamientos

El presente trabajo, propone desarrollar un prototipo para evaluar la resistencia a la FCR, que presente una elevada velocidad de giro en el ensayo, facilidad de montaje, bajo costo, confiabilidad en la detección de la falla, consistencia en los resultados y facilidad de operación. En el mismo, se utilizará un sensor de vibraciones para la detección de la falla, el cual se desarrollara y construirá por el grupo de tribología. Asimismo el diseño apunta a la posibilidad de evaluar la resistencia a la FCR de diferentes materiales con o sin tratamientos superficiales, y no solo de un elemento de máquina en particular. De esta manera el nuevo equipo presentara, importantes ventajas en lo que respecta a utilidad, sencillez, facilidad de operación, análisis de muestra y la capacidad de funcionar automáticamente y sin atención directa de un usuario sobre una base de operación de 24-h, 7 días a la semana. 2. METODOLOGIA DE DISEÑO Para llevar a cabo la realización de esta tarea, se acudirá a trabajos previos sobre el tema , así como a la experiencia previa que se tiene en la construcción de otros prototipos utilizados en el laboratorio de tribología de la SEPI-ESIME y en la Facultad de Ingeniería de la Universidad Nacional Mar del Plata. El desarrollo del tribómetro para efectuar el ensayo de FCR se justifica por las siguientes razones: • Es un problema de ingeniería mecánica que requiere

de diseño. • Es necesario tener la máquina para continuar con el

estudio y la investigación que concierne a la tribología.

• El grupo de tribología de la SEPI-ESIME, tiene el compromiso de estar a la vanguardia con la tecnología de punta en lo relacionado con el estudio de la fatiga de contacto por rodadura.

Esta metodología se desarrolla en las siguiente etapas 1.- Comprensión del problema 2.- Diseño conceptual 3.- Desarrollo de la maquina 2.1. COMPRENSIÓN DEL PROBLEMA En la etapa de compresión del problema se hace uso de la metodología del QFD, dividida en los siguientes seis pasos [5] :

i) Identificar al cliente. Laboratorio de tribología, SEPI- ESIME IPN, Zacatenco. -Usuario: Alumnos, maestros e investigadores -Producción: Taller de máquinas herramientas.

ii) Determinar los requerimientos y expectativas del cliente.

- Requerimientos obligatorios: Se entiende como requerimientos obligatorios, aquellos, cuyo cumplimiento es indispensable; sin ellos, el producto no podrá considerarse satisfactorio en ningún grado. - Requerimientos deseables: Los requerimientos deseables son aquellos que admiten cierta flexibilidad, de manera que su cumplimiento pueda ser parcial, en caso, de que si no se cumple en su totalidad, el producto puede considerarse aún como satisfactorio.

iii) Determinar la importancia relativa de los requerimientos y expectativas del cliente.

Requerimientos obligatorios [6]:

- Alta velocidad de giro - Sencillez - Confiabilidad. - Bajo costo de construcción - Cargas grandes - Seguridad del equipo durante su funcionamiento - Facilidad de operación. - Evitar vibraciones entre la probeta y la

contracara durante el ensayo - Que sea reproducible

Ponderación de los requerimientos deseables: 1) Bajo costo de fabricación de probetas 2) Bajo costo de reposición de contracaras 3) Bajo costo de mantenimiento 4) Que la vida útil de los componentes principales

mecánicos sea al menos de 3 años 5) El maquinado sea con máquinas universales 6) Que sea fácil de transportar

iv) Efectuar un estudio comparativo con los productos

de la competencia. Este estudio, consiste en analizar los productos de la competencia, para determinar en que grado satisfacen todos los requerimientos y expectativas de los clientes. Para este caso, como todavía se encuentra en la etapa inicial del desarrollo del producto, se tienen muy pocos elementos para incluirlo en un proceso de comparación con los existentes en el mercado.

v)Traducir los requerimientos y expectativas en términos mensurables de ingeniería.

En la tabla 1, se presenta la traducción de los requerimientos del cliente en términos mensurables.

Tabla 1. Traducción de los requerimientos.

REQUERIMIENTOS DEL CLIENTE

REQUERIMIENTOS TECNICOS

UNIDAD DE MEDICION

Alta velocidad de ensayo.

Velocidad de ensayo RPM

Sencillez. Mínimo de piezas posibles No. Piezas

Confiabilidad. Pruebas defectuosas x 100 Pruebas totales

% Pruebas

defectuosas

Bajo costo de construcción.

Costo $M.N.

Cargas de ensayo. Carga de ensayo Newtons

Seguridad del equipo durante su funcionamiento.

Escolaridad del usuario

Factor de seguridad

Grado escolar

Adimensional

Facilidad de operación

Evitar al máximo vibraciones entre la probeta y la contracara durante el ensayo

Que tenga repetibilidad

Bajo costo de fabricación de probetas.


$ M.N.

Bajo costo de reposición de contracaras.


$M.N.

Bajo costo de mantenimiento. Costo de mantenimiento $M.N.

Que la vida útil de los componentes principales mecánicos sea de 3 años mínimo.

Vida útil de componentes Años

El maquinado sea con máquinas universales.

Maquinado Horas

Que sea fácil de transportar.

Que no sea voluminoso Metros cúbicos

vi) Establecer las metas de diseño.

- Alta velocidad de giro, hasta 2000 r.p.m.

- Sencillez de la máquina con el mínimo de piezas

posible.

- Confiabilidad con el 5% de pruebas defectuosas.

- Costo de construcción económico, entre 5000 y

7000 pesos.

- Cargas de ensayo entre 0 - 250 N.

2.2. DISEÑO CONCEPTUAL Dentro del diseño conceptual, se desarrollan las ideas fundamentales del producto. Un concepto es una idea que puede representarse mediante un esquema, croquis, diagrama, bosquejo o un modelo tridimensional aproximado. Este último, describe de manera aproximada el tipo de tecnología, los principios de funcionamiento y la forma general del producto. Algunos conceptos, se van generando de forma natural, a medida que se desarrolla la metodología del QFD. Particularmente, por el

conocimiento que se tiene de productos que cumplen con requerimientos semejantes a los que se han identificado. Este tipo de metodología conceptual se divide como sigue: 1.-La clarificación de los requerimientos del cliente, tiene por objetivo establecer el enlace entre la primera etapa del proceso de diseño (aplicación del QFD) y la etapa conceptual; de tal manera que incluya la función global de servicio del producto e identificar los límites del sistema. Por lo general, cada producto cumple con una o varias acciones de servicio; entre ellas, a las más importantes se les denominan funciones globales de servicio. Para este tribómetro dicha función queda definida como: “Diseñar una máquina para medir el desgaste por fatiga por contacto de rodadura”. 2. Definición del modelo funcional. Consiste en determinar las funciones que son necesarias, para satisfacer las necesidades del cliente; jerarquizar las diferentes funciones, determinar la relación que debe haber entre ellas, y describir esto gráficamente. El análisis funcional descendente, consiste en la sucesión coherente de diagramas de manera decreciente; es decir, procediendo desde lo más general hasta lo más particular. En la figura 1, se muestra el diagrama de funciones para producir el desgaste por FCR.


Muestra

Contramuestra

Carga

Aceite

Energía eléctrica




Col

ocar

pro

beta

Con

trol

de

vibr

acio

nes

Con

trol

de

peso

Pres

enci

a de

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ga

Pres

enci

a de

con

tram

uest

ra

Pres

enci

a de

ace

ite

Ord

en “

inic

io”

Pres

enci

a de

ene

rgía

Ord

en “

cont

rol d

e R

PM”


Muestra

Contramuestra

Carga

Aceite

Energía eléctrica




Col

ocar

pro

beta

Con

trol

de

vibr

acio

nes

Con

trol

de

peso

Pres

enci

a de

car

ga

Pres

enci

a de

con

tram

uest

ra

Pres

enci

a de

ace

ite

Ord

en “

inic

io”

Pres

enci

a de

ene

rgía

Ord

en “

cont

rol d

e R

PM”

Fig. 1. Diagrama de funciones para producir el desgaste por

fatiga de contacto por rodadura. 3.-Generación de conceptos En este punto de la metodología de diseño, se busca generar la mayor cantidad de posibles conceptos, donde el proceso creativo se dispara al máximo. Existen estilos para desarrollar este punto; como es el proceder intuitivamente, bosquejando algunas soluciones

y organizándolas, para evaluarlas posteriormente. La matriz de conceptos, tienen una gran importancia, es donde se conciben las evaluaciones para el prototipo a diseñar. Esta, se construye a partir de dos entradas; en la columna del lado izquierdo, se anotan las funciones que se requieren realizar, en tanto que en las filas, se describen las propuestas de solución.

Tabla 2. Generación de conceptos

Función a b c d ∑

Colocar probeta Manual Robotizada 2 Colocar contracara Manual Robotizada 2

Colocar aceite Hidroneumática Toma Bomba Manual 4 Colocar carga Manual Robotizada 2 Conectar, programar y encender la máquina

Computarizado PLC Digital 3

Calibrar sensor Manual Automático 2

Aplicar carga Pistón hidráulico

Pistón neumático Engranes Resorte 4

Motor eléctrico 1 Giro de la probeta Engranes Poleas Engrane

sin fin Piñón

engrane 4

En la tabla 2, se ilustra la matriz de conceptos, para el desarrollo del prototipo de la máquina tribológica para medir el desgaste por FCR. Los dispositivos desarrollados por las matrices morfológicas, brindan una amplia gama de soluciones para realizar el desarrollo del producto. Cada elemento, por si sólo, puede dar origen a un prototipo nuevo. Sin embargo, siempre es necesario encontrar la mejor combinación de ellos. 4. Evaluación de conceptos de diseño y concepto de diseño. Es la parte final de la fase de diseño conceptual. Su objetivo, es el de seleccionar el mejor concepto de diseño de todos los que se generaron, previamente, en el análisis. La meta, consiste en invertir mayor cantidad de recursos para decidir cual es el concepto idóneo, en la etapa de diseño de detalle que debe desarrollarse totalmente. Existen diversos métodos y criterios para valorar los conceptos generados. Sin embargo, para la evaluación de conceptos se tomará en cuenta, primero, la factibilidad de cada uno éstos, aquellos conceptos que se acepten, se evaluarán por la disponibilidad tecnológica para realizarlos. A partir de los conceptos elegidos, la configuración óptima para la máquina tribológica para medir FCR, se encuentra definida por la tabla 3, donde se muestran los resultados obtenidos de la evaluación de conceptos [6].

Tabla 3. Resultados de la selección de conceptos.

Resultados de la selección de conceptos Colocar probeta Manual Colocar contracara Manual Colocar aceite Manual o Bomba Colocar carga Manual Conectar, programar y encender la máquina Manual o Digital Calibrar sensor Manual Aplicar carga Engranes Giro de la probeta Poleas 2.3 DESARROLLO DE LA MAQUINA Para simular cualquier mecanismo de daño, se deben tener en cuenta las variables involucradas en el mismo. En este caso, se aplica una carga y un movimiento circular, con un número de revoluciones constante. Se plantearon dos líneas de trabajo, la creación de una máquina desde cero y la adaptación de una máquina herramienta existente en mercado. Luego de realizar un estudio de ambas hipótesis con respecto a las consideraciones de diseño se observó que para lograr un adecuado costo de fabricación, de funcionamiento, sencillez, confiabilidad, utilidad y mínimo mantenimiento, se debía optar por la adaptación de una máquina herramienta existente en mercado. Con estos requerimiento se determinó que existen dos máquinas sencillas capaces de entregar un movimiento circular y la aplicación de una carga. Estas, son la fresadora vertical y el taladro de banco. Se evaluaron ambas con las consideraciones citadas anteriormente, además de observar que la sujeción y el posicionado de la pieza sea fácil y confiable. Se determinó, que la mejor adaptación es el taladro. Debido a que el costo y sencillez que requieren, no son compatibles con las características de la fresadora.

Fig. 2. Esquema parcial de la máquina de ensayo, mostrando sus componentes principales.

La Figura 2, muestra un esquema parcial de la máquina de ensayo que se pretende desarrollar, donde se observan los componentes principales de la misma: probeta, bolillas, pista o contracara, soporte, cuba de aceite, etc. El fenómeno de FCR se genera mediante un rodamiento de empuje axial de simple efecto, Marca SKF modelo 51107, en el cual la pista superior del mismo es reemplazada por una muestra del material que se estudia, ver figura 3. La mitad inferior del rodamiento, se monta en su soporte, mientras que la probeta gira, por el movimiento que le transmite el motor del taladro. Todo ello se encuentra inmerso en un aceite mineral con viscosidad International Organization for Standardization (ISO) grado 100, de alta refinación [7].

Fig. 3 Probeta utilizada para los ensayos.

3. CONCLUSIONES

• Se efectuará una evaluación de la máquina, contando entre otras con un pre-ensayo. En éste, se medirán de forma exhaustiva vibraciones, alineaciones, temperatura de operación del motor, de los cojinetes.

• Para la puesta a punto de la maquina se realizarán múltiples ensayos sobre acero SAE 4140 templado y revenido, determinándose estadísticamente, la vida media hasta la falla del mismo.

• Para la puesta a punto del sensor de vibraciones, se utilizaran muestras con diferentes grado de avance en el deterioro superficial producido por FCR.

• Se desarrollará el paquete tecnológico del tribómetro FCR.

4. REFERENCIAS [1]. Dommarco, R.C.; Urquiza, S.A.; 1994, “Desarrollo de un método para evaluar la resistencia a la fatiga de contacto”, Jornadas Metalúrgicas S.A.M., junio/94, Bahía Blanca.

[2] ASM Handbook, Friction, Lubrication and Wear Technology, Vol. 18. ASM International, USA, 1998 [3]. Dommarco, R.C.; 1997, “Fatiga de Contacto por Rodadura. Degradación y Falla Superficial”, Tesis Doctoral. Fac. Ingeniería- Univ. Nac. De Mar del Plata. [4] Dommarco, R.C.; “Introducción a la Tribología. Desgaste por FCR”, Cátedra de Introducción a la Tribología, Fac. Ingeniería- Univ. Nac. De Mar del Plata. [5]. Ramos Watanave Jorge, “Diseño Mecánico”, Agosto/2000, Instituto Politécnico Nacional. [6]. Alejandro Herrera Gurrutia; 2002, “Curso de Diseño Mecánico para La Manufactura y el Ensamble”, ESIME Zacatenco. [7] Michael J. Nealy, “The Tribology Handbook.”, Second Edition, 1995

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